СУПЕРГІДРОФОБНІСТЬ

СУПЕРГІДРОФОБНІСТЬ (лотос-ефект; англ. superhydrophobicity, lotus effect) — ефект практично повної незмочуваності поверхні твердого тіла рідиною, що виникає завдяки особливостям рельєфу цієї поверхні на мікро- і нанорівні, які призводять до зменшення площі контакту рідини з поверхнею тіла. Природний лотос-ефект сформувався внаслідок еволюції й викликаний необхідністю виживання рослин, оскільки захищає тканини рослини від неорганічних (дія кислот тощо), органічних (спори грибів, бактерій, водоростей) забруднень шляхом запобігання появі патогенних субстанцій на поверхнях. Термін «лотос-ефект» виник у середині 70-х років XX століття, коли вчені-ботаніки Боннського університету В. Бартлотт та К. Найнуїс виявили, що листя та квіти деяких рослин майже не забруднюються завдяки наноструктуруванню поверхневих ділянок. Таке явище було запатентовано та названо на честь найбільш яскравого представника — лотоса. Природне явище самоочищування поверхні від різноманітних забруднень відзначають у інших рослин (люпин, капуста, тюльпан, очерет, аквілегія, настурція), а також крил деяких комах (метелик). За допомогою електронного мікроскопа виявлено, що подібні поверхні мають особливий рельєф у вигляді «шипів», утворених гідрофобними речовинами. Крапля води на такій поверхні має малу площу дотику, набуває форми, близької до кулеподібної, не може утримуватися на ній і скочується, забираючи пил, сажу, спори грибів та інші забруднення, що й забезпечує ефект самоочищення. При цьому сили зчеплення між краплею води і часткою забруднення виявляються значно сильнішими, ніж між цією самою часткою й восковим шаром листа. Так, для листя лотоса площа контакту краплі води і листка становить <1% від усієї площі краплі, а контактний кут між поверхнями листка і краплі може досягати 170° (супергідрофобна поверхня). Ступінь зволоження твердого тіла описують за допомогою контактного кута. Нульовий контактний кут забезпечує повне змочування (зволоження). Це означає, що крапля води прагне розтягнутися до стану мономолекулярної плівки на поверхні твердого тіла. Контактний кут 180° вказує на повну незмочуваність, оскільки крапля торкається поверхні тільки в одній точці. Поведінка води залежить від стану поверхні. Якщо поверхня гладка і достатньо зволожується, то самоочищування поліпшується (причому частки забруднень не проникають у внутрішню частину краплі води, а рівномірно розподіляються по її поверхні. Доведено, що краще гідрофобна субстанція видаляється краплею води з гідрофобної поверхні). Умови перебігу лотос-ефекту на наноскопічному рівні стають більш зрозумілими. Матеріали, що мають лотос-ефект або є супергідрофобними, характеризуються одночасно такими властивостями: крапля води утворює на них кут змочування більш ніж 150°; кут скочування, тобто кут нахилу поверхні до горизонту, при якому крапля з діаметром 2–3 мм починає скочуватися, не перевищує 10°; ефект самоочищення поверхні проявляється при контакті з краплями води.

Ефект лотоса в природі — явище не унікальне і не прив’язане тільки до живої системи, проте його систематичне дослідження вченими почалося лише близько 10 років тому, а отримання різноманітних матеріалів, що мають здатність до С., стало можливим тільки з розвитком нано- та мікротехнологій. Останнім часом проводяться інтенсивні дослідження щодо розроблення та виробництва стійких до забруднення і здатних до самоочищення поверхонь та покриттів за кількома напрямами: 1) створення та нанесення на поверхню супергідрофобного хімічного покриття (змащувальної речовини); 2) розроблення наноструктурованих поверхонь із «шипами», що не дають рідинам та забрудненням проникати в глиб матеріалу; 3) створення супергідрофобних матеріалів з використанням нановолокон у вигляді пористих поверхонь, наповнених рідиною. Одна з найбільш затребуваних сфер використання супергідрофобних матеріалів є будівництво у великих містах із високим рівнем забрудненості повітря. Перевагами нових матеріалів є значний економічний ефект, пов’язаний з миттям скла, висотними роботами, економією води, мийних засобів тощо; захищає будинки від руйнування в умовах високої вологості та при перепадах температур.

Супергідрофобні матеріали знайшли своє застосування також у побуті при обробленні тканин і одягу, що дозволяє без зміни кольору, щільності, фактури надавати тканинам нових властивостей: непромокання навіть під сильним дощем, незабруднюваність при потраплянні на тканину залишків їжі, напоїв, у т.ч. соку, кави, чаю, вина.

Перспективним напрямом є створення полімерів із поверхнею, яка здатна до самоочищення, що знайде своє застосування у виготовленні спеціальної апаратури, в якій важливо забезпечити повне «виливання» рідини (напр. мірні колби, піпетки). Поверхні, які мають високий ступінь відштовхування вологи, найближчим часом планують застосувати в лабораторних мікропристроях, хімічних реакторах, а також у суднобудуванні, для покриття лопатей вертолітних гвинтів з метою запобігання обмерзанню. Вченими вже розроблено матеріали з майже нульовим рівнем змочування. Напр., створено поверхню, що являє собою безліч вертикально розміщених кремнієвих голок товщиною 400 нм, які утворюють щільний гребінець, та відштовхує різні види рідин (воду, олію, розчинники та ін.). При поданні напруги відштовхування зникає й рідина миттєво скочується до основи поверхні, на якій розміщуються голки. Виготовлені й інші матеріали, напр., плівка з пористого матеріалу на основі нановолокон епоксидної смоли вкрита змащувальною речовиною з фторвуглецевих органічних сполук, яка не змішується з багатьма рідинами та захищає від прилипання часток твердих речовин. Інший матеріал, названий SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces), є пористою поверхнею, «губкою», просоченою рідиною, що витримує випробування на омніфобність: вода, органічні рідини, масла, складні суміші, такі як сира нафта чи кров. Покриття SLIPS підходить для застосування в оптиці, для створення лінз, які не будуть змочуватися та забруднюватися, а також для виготовлення вікон, здатних до самоочищення. Матеріал витримує екстремальні умови — тиск 675 атмосфер, що еквівалентно зануренню в океан на 7 км, а також низькі температури. Така волого- і олієвідштовхувальна, здатна до самоочищення і самозаліковування поверхня знайде застосування у транспортуванні рідин і води, напр. у медичних пристроях, таких як катетери та системи переливання крові.

Однак, на відміну від живого лотоса, синтетичні поверхні, створені на основі ефекту лотоса, мають певні недоліки. Вони не відштовхують органічні речовини, що складаються з неполярних молекул, тому що в них поверхневий натяг не такий великий; олії та органічні речовини не прагнуть до утворення сферичних крапель і просочуються між папілами тощо. Розроблені матеріали з ефектом лотоса не завжди досконалі та досить дорогі у виробництві, проте завдяки їх унікальним властивостям вони знайдуть своє застосування в найближчому майбутньому.

Балабанов В.И. Нанотехнологии. Наука будущего. — M., 2009; Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. — М., 2005; Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов / Под ред. С.В. Калюжного. — М., 2010; Parker A.R., Townley H.E. Biomimetics of photonic nanostructures // Nature Nanotechnology. — 2007. — Vol. 2. — № 6; Wang Z.L. Nanomaterials: Sticky but not messy // Nature Nanotechnology. — 2009. — Vol. 4. — № 7; Wickson F. Narratives of nature and nanotechnology // Nature Nanotechnology. — 2008. — Vol. 3. — № 6.