ледофобия
Ледофобность (от льда и греческого φόβος phobos «страх») — способность твердой поверхности отталкивать лед или предотвращать образование льда вследствие определенного топографического строения поверхности. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Слово «айсофоб» впервые было использовано как минимум в 1950 году; [ 6 ] однако прогресс в области создания поверхностей с микроузором привел к росту интереса к ледофобии с 2000-х годов.
Ледофобность против гидрофобности
[ редактировать ]Термин «ледофобность» аналогичен термину гидрофобность и другим «-фобностям» в физической химии ( олеофобность , липофобность , омнифобность , амфифобность и др.). Ледофобность отличается от антиобледенения и противообледенения тем, что ледофобные поверхности, в отличие от антиобледенительных поверхностей, не требуют специальной обработки или химического покрытия для предотвращения образования льда. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
Существует дальнейший параллелизм между гидрофобностью и ледофобностью. Гидрофобность гидрофобного имеет решающее значение для « эффекта » и гидрофобных взаимодействий . Для двух гидрофобных молекул (например, углеводородов), помещенных в воду, существует эффективная гидрофобная сила отталкивания, энтропийная по своему происхождению, обусловленная их взаимодействием с водной средой. Гидрофобный эффект отвечает за сворачивание белков и других макромолекул, что приводит к их фрактальной форме. При образовании кристаллов льда ( снежинок ) синхронизация роста ветвей происходит за счет взаимодействия со средой ( пересыщенный пар ) – чем-то похожа на гидрофобный эффект – кажущееся отталкивание гидрофобных частиц вследствие их взаимодействия со средой (водой) ). Следовательно, несмотря на то, что формы снежинок очень разнообразны: «нет двух снежинок, похожих друг на друга», большинство снежных кристаллов симметричны, причем каждая из шести ветвей почти идентична остальным пяти ветвям. Более того, как гидрофобность, так и ледофобность могут приводить к довольно сложным явлениям, таким как самоорганизованная критичность - обусловленная сложностью в результате гидрофобных взаимодействий (при смачивании шероховатых/неоднородных поверхностей или при сворачивании и закольцовывании полипептидной цепи) или кристаллизации льда (фрактальные снежинки). [ 7 ]
Обратите внимание, что термодинамически как гидрофобные взаимодействия, так и образование льда обусловлены минимизацией поверхностной энергии Гиббса , ΔG = ΔH - TΔS, где H, T и S — энтальпия , температура и энтропия соответственно. Это связано с тем, что в гидрофобных взаимодействиях большое положительное значение TΔS преобладает над небольшим положительным значением ΔH, что делает спонтанное гидрофобное взаимодействие энергетически выгодным. Так называемый переход огрубления поверхности определяет направление роста кристаллов льда и происходит при критической температуре, выше которой энтропийный вклад в энергию Гиббса TΔS преобладает над энтальпийным вкладом ΔH, что делает его более энергетически выгодным для льда. кристалл должен быть шероховатым, а не гладким. Это говорит о том, что термодинамически как ледофобное, так и гидрофобное поведение можно рассматривать как энтропийные эффекты. [ 7 ]
Однако ледофобность отличается от гидрофобности . Гидрофобность - это свойство, которое характеризуется углом смачивания воды (CA) и межфазной энергией границ раздела твердое тело-вода, твердое тело-пар и вода-пар, и, таким образом, это термодинамическое свойство, обычно количественно определяемое как CA>90 градусов. Другое отличие состоит в том, что гидрофобность противоположна гидрофильности . естественным образом Для ледофобии такой оппозиции не существует, поэтому ее следует определять путем установления количественного порога. Ледофобность гораздо больше похожа на супергидрофобности . определение [ 7 ]
Количественная характеристика ледофобии
[ редактировать ]В последних публикациях по этой теме выделяются три подхода к характеристике ледофобности поверхности. [ 7 ] Во-первых, ледофобность подразумевает низкую силу сцепления между льдом и твердой поверхностью. критическое напряжение сдвига В большинстве случаев рассчитывается нормальное напряжение , хотя можно использовать и . Хотя до сих пор не было предложено четкого количественного определения ледофобности, исследователи охарактеризовали ледофобные поверхности как поверхности, имеющие прочность на сдвиг (максимальное напряжение) меньше в диапазоне от 150 до 500 кПа и даже всего лишь 15,6 кПа. [ 1 ] [ 7 ]
Во-вторых, ледофобность подразумевает способность предотвращать образование льда на поверхности. Такая способность характеризуется тем, замерзает ли на границе раздела капля переохлажденной воды (ниже нормальной температуры замерзания 0°С). Процесс замерзания можно охарактеризовать задержкой во времени зарождения гетерогенного льда . Механизмы замерзания капли достаточно сложны и могут зависеть от уровня температуры, от того, происходит ли охлаждение капли со стороны твердой подложки или со стороны пара и других факторов.
В-третьих, ледофобные поверхности должны отталкивать попадающие мелкие капли (например, дождя или тумана ) при температуре ниже точки замерзания . [ 12 ]
Эти три определения подразумевают, что ледофобные поверхности должны (i) предотвращать замерзание воды, конденсирующейся на поверхности (ii) предотвращать замерзание поступающей воды (iii) если образовался лед, он должен иметь слабую прочность сцепления с твердым веществом, чтобы его можно было легко удалить. удаленный. Противообледенительные свойства могут зависеть от таких обстоятельств, как то, холоднее ли твердая поверхность, чем воздух/пар, насколько велик температурный градиент и имеет ли тенденцию образовываться тонкая пленка воды на твердой поверхности из-за капиллярных эффектов, расклинивающего давления. и т. д. Механические свойства льда и подложки также имеют большое значение, поскольку отслоение льда происходит в результате разрушения либо при растрескивании в режиме I (нормальное), либо в режиме II (сдвиговое), так что концентраторы трещин вносят основной вклад в снижение прочности. [ 4 ] [ 7 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Мейлер, А.Дж. и др. Взаимосвязь между смачиваемостью воды и адгезией льда. Приложение ACS. Матер. Интерфейсы 2010, 11, 3100–3110
- ^ Чжэн, Л. и др. Исключительная супергидрофобность и ледофобность при низкоскоростном ударе пленок углеродных нанотрубок, функционализированных ацетоном. Ленгмюр , 2011, 27, 9936–9943.
- ^ Юнг, С.; Доррестейн, М.; Рэпс, Д.; Дас, А.; Мегаридис, CM; и Пуликакос Д. Являются ли супергидрофобные поверхности лучшими с точки зрения ледофобности? Ленгмюр , 2011, 27, 3059–3066.
- ^ Jump up to: а б Носоновский, М.; Хиджази, В.И. (2012). «Почему супергидрофобные поверхности не всегда ледофобные». АСУ Нано . 6 (10): 8488–8913. дои : 10.1021/nn302138r . ПМИД 23009385 .
- ^ Менини, Р.; Галми, З.; Фарзане, М. Высокостойкие ледофобные покрытия на алюминиевых сплавах. Холодный рег. наук. Технол. 2011, 65, 65-69
- ^ Химическая промышленность, 1950, т. 67, с. 559
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Хиджази, В.; Соболев К.; Носоновский М.И (2013). «От супергидрофобности к ледофобности: анализ сил и взаимодействия» . Научные отчеты . 3 : 2194. дои : 10.1038/srep02194 . ПМК 3709168 . ПМИД 23846773 .
- ^ Кулинич, С.А.; Фархади, С.; Нос, К.; и Du, XW Супергидрофобные поверхности: действительно ли они ледоотталкивающие? Ленгмюр , 2011, 27, 25-29.
- ^ Бахадур, В.; Мищенко Л.; Хаттон Б., Тейлор Дж.А.; Айзенберг, Дж.; и Крупенкин Т. Прогнозирующая модель образования льда на супергидрофобных поверхностях. Ленгмюр , 2011, 27, 14143–14150.
- ^ Цао, Л.-Л.; Джонс, АК; Сикка, ВК; Ву, Дж.; и Гао Д. Противообледенительные супергидрофобные покрытия. Ленгмюр , 2009, 25, 12444-12448.
- ^ Чен, Дайонг; Гелентер, Мартин Д.; Хун, Мэй; Коэн, Роберт Э.; МакКинли, Гарет Х. (2017). «Айфобные поверхности, вызванные межфазной незамерзшей водой» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (4): 4202–4214. дои : 10.1021/acsami.6b13773 . ПМК 6911363 . ПМИД 28054770 .
- ^ Чжэн и др., Ленгмюр 27:9936 (2011)