Геометрия волокон и силикон сделали ткани олеофобными
Канадские ученые разработали подход к обработке тканей смесью на основе полидиметилсилоксана для придания им олеофобных свойств и проверили его на металлических сетках и нейлоновой куртке. Водные и масляные капли образовывали с обработанной нейлоновой тканью краевые углы больше 90 градусов. Вещество со значением поверхностного натяжения меньше 24 миллиньютонов на метр также образовывало ненулевой угол контакта с обработанной тканью. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Sustainability.
Несмачиваемые водой и маслом ткани находят применение как в текстильной промышленности, так и в других отраслях. Одежда из таких материалов дольше остается чистой и сохраняет исходный вид. Обычно маслоотталкивающие ткани обрабатывают перфторированными органическими веществами с низкой поверхностной энергией (около 10-20 миллиньютон на метр), что позволяет отталкивать как водные, так и масляные капли. Однако эти соединения оказывают негативное влияние на окружающую среду и здоровье человека. Материалы, в которых нет перфторированных веществ, имеют обычно поверхностное натяжение выше 24 миллиньютон на метр, что не позволяет назвать их маслоотталкивающими. Согласно теории смачивания, такие материалы все же могут существовать, если правильно подобрать структуру поверхности ткани и ее химический состав.
Садаф Шабанян (Sadaf Shabanian) с коллегами из Университета Британской Колумбии разработали подход к созданию смесей для отделки текстиля без использования перфторированных веществ, после обработки которыми, ткани отталкивали масла. Отделочные смеси из полидиметилсилоксана при нанесении на ткань выполняли роль наноразмерной вторичной структуры, способствующей маслооталкивающим свойствам. Авторы теоретически рассчитывали геометрические параметры получаемой ткани, от которых, в частности, согласно представленной в работе математической формуле, зависело, будет ли ткань обладать олеофобными свойствами. Теоретические предположения исследователи проверяли в экспериментах с обработанными металлическими сетками и нейлоновой тканью, помещая на них капли масел и воды и регистрируя краевой угол.
Все три исследованных стальных сетки без силиконового покрытия полностью смачивались углеводородом гесадеканом, как и ожидалось. Покрытие же обеспечивало возникновение ненулевого угла смачивания, значение которого доходило до 98 градусов. А капля смеси этанола с водой соприкасалась с сеткой с краевым углом в 120 градусов. На обработанной нейлоновой ткани капли воды, искусственного пота, рапсового, оливкового и касторового масел образовывали углы контакта больше 90 градусов. Капля гексадекана лучше смачивала нейлоновую поверхность (краевой угол составил 33 градуса), чем металлическую из-за различия геометрических параметров ткани, что и было предсказано авторами теоретически. Даже жидкость с таким низким значением поверхностного натяжения как 23,9 миллиньютон на метр, не растекалось по ткани, а находилось в виде капли с углом контакта в 22 градуса.
По словам авторов, предложенная технология не универсальна, как использование перфторированных веществ: каждая ткань, в зависимости от ее природы, требует особой подготовки к отделке. Однако опубликованная работа является доказательством концепции и при дальнейшем развитии теории, может способствовать переходу к более экологичным видам обработки тканей.
Вещество с очень низкой энергией поверхности — тефлон, который, помимо этого, обладает рядом полезных для технологов свойств, впервые получили случайно, в баллоне с тетрафторэтиленом. Больше о материалах, обнаруженных по счастливому стечению обстоятельств можно узнать в тексте «Материалы, которых не ждали».
Алина Кротова
Металл можно регенерировать, а сами губки использовать повторно
Американские материаловеды разработали фильтры для воды на основе целлюлозных губок, декорированных наночастицами оксидов металлов. Сорбированный металл можно регенерировать, а сами губки использовать повторно. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS EST Water. Даже небольшое количество свинца в питьевой воде может вызывать серьезное поражение нервной системы и других органов. Особенно опасен свинец для нервной системы детей и подростков: исследования показывают, что дети, потреблявшие загрязненную свинцом воду не только имеют более низкий IQ и плохие оценки, но и с более высокой вероятностью впоследствии нарушают закон. В Евросоюзе безопасным количеством свинца в питьевой воде считают пять миллиардных долей (не более пяти молекул солей свинца на каждый миллиард молекул воды). Агентство по охране окружающей среды США после массового отравления свинцом в штате Мичиган в 2014 год и вовсе полагает, что нужно стремиться к полному удалению этого металла из воды. Винаяк Дравид (Vinayak P. Dravid) и его коллеги из Северо-западного Университета научились очищать воду от свинца с помощью целлюлозных мембранных фильтров. За основу ученые взяли доступные целлюлозные губки. Благодаря пористости и гидрофильности такие материалы и сами по себе способны очищать воду от тяжелых металлов. А чтобы увеличить сорбирующую способность, внутрь пор губок поместили наночастицы оксидов металлов.Сначала ученые подготовили четыре разных вида наночастиц: оксида алюминия Al2O3, оксида цинка ZnO, оксида железа Fe3O4, а также наночастицы FeOOH, в которых часть атомов железа были заменены на атомы марганца Mn. Губки замачивали в водных растворах наночастиц, а затем высушивали при температуре 60 градусов Цельсия. Чтобы добиться более высокой концентрации наночастиц в финальном материале, процедуру можно повторить несколько раз. Затем полученные материалы испытали на способность сорбировать свинец. Губки погружали в растворы с концентрацией свинца от 1 до 100 миллионных долей. Всего авторы испытали пять материалов: с добавками четырех разных видов наночастиц и без добавок. Количество самих добавок в композите тоже меняли. Такой большой массив данных был нужен авторам для того, чтобы построить изотермы адсорбции — графики зависимость количества адсорбированного вещества от концентрации в растворе при постоянной температуре. Это позволило сравнить разные параметры процессов количественно. Самую высокую емкость показали композиты с наночастицами оксида цинка и и оксида железа, допированного марганцем. Они способны принять в себя больше всего свинца. В то же время по связывающей способности чемпионами оказались губки с наночастицами оксида железа и оксида железа, допированного марганцем. Эти материалы хорошо работали при низких концентрациях свинца, к тому же показывали большую селективность, и связывали преимущественно свинец, даже в присутствии других металлов. В итоге оптимальным сорбентом авторы признали композит с наночастицами оксида железа, допированного марганцем Mn-FeOOH.Одной из причин авторы называют более мелкий размер и более высокую удельную площадь поверхности Mn-FeOOH наночастиц — 217 квадратных метров на грамм против 102 квадратных метров на грамм у приготовленных в таких же условиях частиц оксида железа. К тому же благодаря мелкому размеру наночастицы Mn-FeOOH проникали даже в самые мелкие поры губок. Чтобы проверить новый материал в реальных условиях, авторы изготовили из него фильтровальную мембрану и пропустили через нее воду с начальной концентрацией свинца в одну миллионную долю. После двух циклов фильтрования концентрация свинца снизилась в двести раз — до 5 миллиардных долей, а после третьего цикла — до 0,2 миллиардной доли.Сорбированный на губки свинец можно регенерировать. Для этого достаточно поместить губку в кислый водный раствор. Пока что авторам удалось регенерировать 90 процентов свинца, однако они полагают, что в будущем эту долю можно будет еще повысить, подобрав оптимальные условия реакции. Сами губки в процессе регенерации не повреждаются, их тоже можно использовать повторно. Два года назад американские материаловеды модифицировали мембраны для электродиализа с помощью наночастиц пористых ароматических каркасных структур. В результате им удалось не только очистить воду, но и селективно извлечь более 99 процентов ртути, меди, железа и борной кислоты.