Как с гуся керосин

Американские химики создали покрытие, которое способно заставить любую поверхность отталкивать какую угодно жидкость. Такой материал позволит сделать одежду, которую трудно испачкать, и баки для ракетного топлива, к которым не прилипают его агрессивные компоненты. А для демонстрации учёные покрыли новым составом гусиное перо, и оно стало отталкивать легчайший жидкий углеводород.

Известная поговорка «как с гуся вода» своим происхождением обязана способности гусиных перьев очень хорошо отталкивать воду – проще говоря, совершенно не смачиваться. А вот поговорки «как с гуся керосин» или, скажем, «как с гуся изопропанол» нет – и вовсе не потому, что на Руси прежде не было керосина или поливание гусей изопропанолом было чем-то запретным.

[cut]Просто легкие органические вещества, входящие в состав керосина, очень эффективно смачивают практически любые поверхности, даже прославленный тефлон, так горячо любимый хозяйками за антипригарные свойства. Да и вообще, большинство жидкостей, с которыми людям приходится сталкиваться в промышленности, гораздо чаще оказываются неводными растворителями органических веществ, свойства которых от свойств воды сильно отличаются.

И тот же керосин с гуся, как с гуся вода, сходить не будет. Об этом хорошо знают экологи, каждый год сотнями отправляющие добровольцев отмывать морских птиц от последствий аварии очередного танкера с нефтепродуктами.

Благодаря работе американских химиков, результаты которой опубликованы в последнем номере Proceedings of the National Academy of Sciences, может появиться целая россыпь новых метафор – «как с текстуры вода», «как с текстуры керосин, бензин, гексан, изопропанол» и всё, что только захочешь. Гаррет Маккинли из Массачусетского технологического института и его коллеги

создали сверхтонкую сеть хитро переплетённых полимерных волокон, которую можно будет нанести на любую поверхность, сделав её несмачиваемой для любой жидкости.


В перспективе наносить текстуру, препятствующую смачиванию, можно будет и на стенки топливных баков ракетных двигателей, использующих для работы агрессивные химические компоненты, и на одежду, которую будет тяжело испачкать и легко отстирать. Ну а для демонстрации своего метода – поскольку от гусиных сравнений в такой работе, видимо, никуда не деться – учёные покрыли микроскопической полимерной сетью перо этого самого гуся, сделав его несмачиваемым таким лёгким углеводородом, как пентан.

Ученые уже довольно давно научились изменять свойства поверхностей, делая отталкивающие жидкости материалы смачиваемыми этими жидкостями. Путь в обратную сторону оказался сложнее – сделать вещество несмачиваемым, или, как говорят химики, лиофобным, удается далеко не всегда.

Однако надежды на создание абсолютно лиофобных поверхностей, одинаково хорошо сопротивляющихся смачиванию и полярными жидкостям, и легкими углеводородами, остаются.

Секретом успеха оказалось придание поверхности определенной текстуры – узора выемок и бугорков.

Смысл этой самой текстуры далеко не так очевиден, как может показаться на первый взгляд. Помимо энергетических, в смачивании и несмачивании играет роль и ряд геометрических эффектов, связанных с действием капиллярных сил. Именно по причине таких геометрических эффектов мениск поверхности столба жидкости, поднявшейся в тонком капилляре, всегда вогнутый. Геометрические эффекты описываются с помощью краевого угла смачивания, который определяет не только форму капли на поверхности, но и направление капиллярных сил.

Именно этот геометрический аспект и использовали американские ученые для создания поверхностей, которым уже успели дать новое название – омнифобные (всеотталкивающие). Процедура состоит в том, чтобы создать такие условия, при которых капиллярные силы просто-напросто не позволят жидкости полностью смочить поверхность. Для этого необходимо создать так называемую текстуру с входящими углами.


Трапециевидная текстура с входящим углом ψ, большим, чем угол смачивания θ, приводит к тому, что жидкость, не полностью смочившая поверхность под действием капиллярной силы F, неизбежно смочит её полностью. Если же входящий угол ψ сделать меньше краевого угла смачивания θ, то капиллярные силы F будут направлены в противоположном от поверхности направлении, что сохранит в текстуре небольшие островки воздуха под слоем жидкости. В результате смачивание и несмачивание будет определяться уже на трехфазной границе между жидкостью и поверхностью с переменной поверхностной энергией, образованной участками твердого тела, перемежаемыми воздушными островками. // National Academy of Sciences

Хотя секрет открытия лежал на поверхности, Маккинли и его коллеги оказались первыми, кому удалось провести систематическое исследование омнифобных поверхностей с текстурами с входящими углами. Учёные определили зависимость механических свойств поверхности от четырёх геометрических параметров, определяющих периодичность элементов с входящими углами, их размеры, сами углы и высоту текстуры. Только при их правильной комбинации получающаяся текстура оказывается способной устойчиво отталкивать жидкости, прекрасно смачивающие ровную поверхность того же материала.

Отработав свою методику создания омнифобных поверхностей на обычных кремниевых пластинах, структурированных стандартными методами микроэлектроники, учёные создали самое интересное -
покрытия, которые можно нанести на практически любой материал, смачиваемость которого нужно свести к минимуму.

Поверхностная текстура в этом случае получается с помощью нитей полимера полиметилметакрилата, заплетенных в сложную структуру методом электростатического скручивания. К этим нитям ученые добавили молекулы-многогранники фторированных органических соединений – силсесквиоксанов. Благодаря сочетанию размера многогранников и обилию перфторированных концевых углеродных групп в этих молекулах, поверхностная энергия такого покрытия оказывается очень низкой. Текстуру же их формирует структура переплетения нитей, которой также можно управлять при синтезе.

Смесью волокон полиметилметакрилата и силсесквиоксановых молекул можно покрывать любые поверхности, делая их омнифобными.

Правда, морским птицам это не поможет – ведь покрытия на их перья надо наносить заранее. А если бы можно было заранее знать, где разобьётся очередной танкер, несложно было бы и предотвратить аварию.

Источник[/cut]