Μια αναθεωρημένη μέθοδος για τη δημιουργία υδρόφοβων επιφανειών έχει επιπτώσεις σε κάθε τεχνολογία όπου το νερό συναντά μια στερεή επιφάνεια, από την οπτική και τη μικρορευστοποίηση μέχρι το μαγείρεμα.
Οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν νέο μηχανισμό για να κάνουν τα σταγονίδια νερού να γλιστρούν από τις επιφάνειες, όπως περιγράφεται σε άρθρο που δημοσιεύτηκε στο Χημεία της Φύσης. Η ανακάλυψη αμφισβητεί τις υπάρχουσες ιδέες για την τριβή μεταξύ στερεών επιφανειών και νερού και ανοίγει μια νέα οδό για τη μελέτη της ολισθηρότητας των σταγονιδίων σε μοριακό επίπεδο. Η νέα τεχνική έχει εφαρμογές σε μια σειρά πεδίων, συμπεριλαμβανομένων των υδραυλικών, των οπτικών και της αυτοκινητοβιομηχανίας και της ναυτιλιακής βιομηχανίας.
Αλληλεπιδράσεις νερού και στερεών επιφανειών
Παντού γύρω μας, το νερό αλληλεπιδρά πάντα με στερεές επιφάνειες. Το μαγείρεμα, η μεταφορά, η οπτική και εκατοντάδες άλλες τεχνολογίες επηρεάζονται από το πώς το νερό κολλάει στις επιφάνειες ή γλιστράει από αυτές. Η κατανόηση της μοριακής δυναμικής αυτών των μικροσκοπικών σταγονιδίων βοηθά τους επιστήμονες και τους μηχανικούς να βρουν τρόπους να βελτιώσουν πολλές οικιακές και βιομηχανικές τεχνολογίες.
Διαβάστε επίσης: Πώς αντιμετωπίζουμε ένα κρυολόγημα
Οι επιφάνειες που μοιάζουν με υγρά είναι ένας νέος τύπος επιφάνειας απωθητικής σταγονιδίων που προσφέρει πολλά τεχνικά οφέλη σε σχέση με τις παραδοσιακές προσεγγίσεις – ένα θέμα αναθεωρήθηκε πρόσφατα σε Nature Reviews Chemistry από τον καθηγητή του Πανεπιστημίου Aalto Robin Ras. Έχουν μοριακά στρώματα που είναι πολύ ευκίνητα αλλά ομοιοπολικά δεμένα στο υπόστρωμα, δίνοντας στις στερεές επιφάνειες μια υγρή ποιότητα που δρα σαν ένα στρώμα λιπαντικού μεταξύ των σταγονιδίων νερού και της ίδιας της επιφάνειας. Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Ras χρησιμοποίησε έναν ειδικά σχεδιασμένο αντιδραστήρα για να δημιουργήσει ένα στρώμα μορίων που μοιάζει με υγρό, που ονομάζεται self-assembled monolayers (SAMs), πάνω από μια επιφάνεια πυριτίου.
Παρακολουθώντας τα αυτοσυναρμολογημένα μονοστρώματα να μεγαλώνουν
«Η δουλειά μας είναι η πρώτη φορά που κάποιος έχει φτάσει απευθείας στο επίπεδο νανομέτρων για να δημιουργήσει μοριακά ετερογενείς επιφάνειες», λέει ο διδακτορικός ερευνητής Sakari Lepikko, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
Προσαρμόζοντας προσεκτικά τις συνθήκες όπως η θερμοκρασία και η περιεκτικότητα σε νερό μέσα στον αντιδραστήρα, η ομάδα θα μπορούσε να ρυθμίσει με ακρίβεια πόσο από την επιφάνεια του πυριτίου κάλυπτε η μονοστιβάδα.
«Βρίσκω πολύ συναρπαστικό το γεγονός ότι ενσωματώνοντας τον αντιδραστήρα με ένα ελλειψόμετρο, μπορούμε να παρακολουθήσουμε τις αυτοσυναρμολογούμενες μονοστρώσεις να μεγαλώνουν με εξαιρετικό επίπεδο λεπτομέρειας», λέει ο Ras.
«Τα αποτελέσματα έδειξαν μεγαλύτερη ολισθηρότητα όταν η κάλυψη SAM ήταν χαμηλή ή υψηλή, όπως επίσης και οι περιπτώσεις όπου η επιφάνεια είναι πιο ομοιογενής. Σε χαμηλή κάλυψη, η επιφάνεια του πυριτίου είναι το πιο διαδεδομένο στοιχείο και σε υψηλή, τα SAM είναι τα πιο διαδεδομένα.»
«Ήταν αδιανόητο ότι ακόμη και η χαμηλή κάλυψη απέφερε εξαιρετική ολισθηρότητα», συνεχίζει ο Lepikko.
Σε χαμηλή κάλυψη, το νερό γίνεται μια μεμβράνη πάνω από την επιφάνεια, η οποία είχε θεωρηθεί ότι αυξάνει την ποσότητα της τριβής. «Βρήκαμε ότι, αντί αυτού, το νερό ρέει ελεύθερα μεταξύ των μορίων του SAM σε χαμηλή κάλυψη SAM, γλιστρώντας από την επιφάνεια. Και όταν η κάλυψη SAM είναι υψηλή, το νερό παραμένει πάνω από το SAM και γλιστράει το ίδιο εύκολα. Μόνο ανάμεσα σε αυτές τις δύο καταστάσεις το νερό προσκολλάται στα SAM και κολλάει στην επιφάνεια.»
Η νέα μέθοδος αποδείχθηκε εξαιρετικά αποτελεσματική, καθώς η ομάδα δημιούργησε την πιο ολισθηρή υγρή επιφάνεια στον κόσμο.
Αντιθαμβωτική, Αποπάγωση, Αυτοκαθαρισμός
Η ανακάλυψη υπόσχεται να έχει επιπτώσεις οπουδήποτε χρειάζονται επιφάνειες απώθησης σταγονιδίων. Σύμφωνα με τον Lepikko, αυτό καλύπτει εκατοντάδες παραδείγματα από την καθημερινή ζωή έως τις βιομηχανικές λύσεις.
«Πράγματα όπως η μεταφορά θερμότητας στους σωλήνες, η αποπάγωση και η αντιθαμβωτική προστασία είναι πιθανές χρήσεις. Θα βοηθήσει επίσης με μικρορευστήματα, όπου τα μικροσκοπικά σταγονίδια πρέπει να μετακινούνται ομαλά, και με τη δημιουργία επιφανειών αυτοκαθαρισμού. Ο αντιδιαισθητικός μηχανισμός μας είναι ένας νέος τρόπος για να αυξήσουμε την κινητικότητα των σταγονιδίων οπουδήποτε χρειάζεται», λέει ο Lepikko.
Στη συνέχεια, η ομάδα σκοπεύει να συνεχίσει να πειραματίζεται με τη ρύθμιση μονοστρωματικής αυτοσυναρμολόγησης και να βελτιώσει το ίδιο το στρώμα. Ο Lepikko είναι ιδιαίτερα ενθουσιασμένος με τις πληροφορίες που παρέχει αυτή η εργασία για μελλοντικές καινοτομίες.
«Το κύριο πρόβλημα με μια επίστρωση SAM είναι ότι είναι πολύ λεπτή και έτσι διασκορπίζεται εύκολα μετά από φυσική επαφή. Αλλά η μελέτη τους μας δίνει θεμελιώδεις επιστημονικές γνώσεις τις οποίες μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να δημιουργήσουμε ανθεκτικές πρακτικές εφαρμογές».
Η έρευνα που χρησιμοποίησε την εθνική ερευνητική υποδομή OtaNano διεξήχθη από την ομάδα Soft Matter and Wetting στο Τμήμα Εφαρμοσμένης Φυσικής, η οποία έχει επίσης δημιουργήσει άλλα πρωτοποριακά υδατοαπωθητικά υλικά.
Αναφορά: «Ολισθηρότητα σταγονιδίων παρά την επιφανειακή ετερογένεια σε Μοριακή κλίμακα» των Sakari Lepikko, Ygor Morais Jaques, Muhammad Junaid, Matilda Backholm, Jouko Lahtinen, Jaakko Julin, Ville Jokinen, Timo Sajavaara, Maria Sammalkorpi, Robin S. Foster, και 23 Οκτωβρίου 2023, Χημεία της Φύσης.
DOI: 10.1038/s41557-023-01346-3
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Jyväskylä συνέβαλαν επίσης σε αυτή τη μελέτη.
Διαβάστε επίσης:
Η εκπληκτική πραγματικότητα της απιστίας: Υψηλή ικανοποίηση, χαμηλή ενοχή
Μια προσομοίωση ενός αστεριού που πεθαίνει δείχνει πώς θα μπορούσε να δημιουργήσει βαρυτικά κύματα
Η NASA επιλέγει το Axiom Space για άλλη μια ιδιωτική διαστημική αποστολή στον ISS
