гидрофобный



В химии отталкивается гидрофобность — это физическое свойство молекулы , которая, по-видимому, от массы воды (так называемая гидрофобность ). [1] Напротив, гидрофилы притягиваются к воде.
Гидрофобные молекулы, как правило, неполярны и поэтому предпочитают другие нейтральные молекулы и неполярные растворители . Поскольку молекулы воды полярны, гидрофобы плохо растворяются среди них. Гидрофобные молекулы в воде часто группируются вместе, образуя мицеллы . Вода на гидрофобных поверхностях будет иметь высокий угол смачивания .
Примеры гидрофобных молекул включают алканы , масла , жиры и жирные вещества в целом. Гидрофобные материалы используются для удаления нефти из воды, ликвидации разливов нефти и процессов химического разделения для удаления неполярных веществ из полярных соединений. [2]
Гидрофобный часто используется как синоним липофильного , «жиролюбивого». Однако эти два термина не являются синонимами. Хотя гидрофобные вещества обычно липофильны, есть исключения, такие как силиконы и фторуглероды . [ нужна ссылка ]
Термин «гидрофоб» происходит от древнегреческого ὑδρόφοβος ( гидрофобос ), «боящийся воды», образованного от древнегреческого ὕδωρ (húdōr) «вода» и древнегреческого φόβος (фобос) «страх». [3]
Химический фон
[ редактировать ]Гидрофобное взаимодействие представляет собой в основном энтропийный эффект, возникающий из-за разрушения высокодинамичных водородных связей между молекулами жидкой воды неполярным растворенным веществом, в результате чего вода образует клатратоподобную структуру вокруг неполярных молекул. Образующаяся структура является более упорядоченной, чем молекулы свободной воды, поскольку молекулы воды организуются так, чтобы взаимодействовать друг с другом как можно больше, и, таким образом, приводит к более высокому энтропийному состоянию, которое заставляет неполярные молекулы слипаться вместе, уменьшая площадь открытой поверхности. обводнять и уменьшать энтропию системы. [4] [5] Таким образом, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная и гидрофобная) изменятся так, что соответствующая им межфазная площадь будет минимальной. Этот эффект можно визуализировать в явлении, называемом фазовым разделением. [ нужна ссылка ]
Супергидрофобность
[ редактировать ]
Супергидрофобные поверхности, такие как листья лотоса, чрезвычайно трудно смачивать. Углы контакта капли воды превышают 150°. [6] Это называется эффектом лотоса и в первую очередь является физическим свойством, связанным с межфазным натяжением , а не химическим свойством. [7]
Теория
[ редактировать ]В 1805 году Томас Янг определил угол контакта θ , анализируя силы, действующие на каплю жидкости, покоящуюся на твердой поверхности, окруженной газом. [8]


где
- = Межфазное натяжение между твердым телом и газом
- = Межфазное натяжение между твердым телом и жидкостью
- = Межфазное натяжение между жидкостью и газом
θ можно измерить с помощью гониометра угла контакта .
Венцель определил, что когда жидкость находится в тесном контакте с микроструктурированной поверхностью, θ изменится на θ W*.
где r – отношение фактической площади к проектируемой. [9] Уравнение Венцеля показывает, что микроструктурирование поверхности усиливает ее естественные свойства. Гидрофобная поверхность (та, у которой исходный угол смачивания превышает 90°) становится более гидрофобной при микроструктурировании – ее новый угол смачивания становится больше исходного. Однако гидрофильная поверхность (та, у которой исходный угол смачивания менее 90°) становится более гидрофильной при микроструктурировании – ее новый угол смачивания становится меньше исходного. [10] Кэсси и Бакстер обнаружили, что если жидкость подвешена на вершинах микроструктур, θ изменится на θ CB* :
где φ — доля площади твердого тела, соприкасающаяся с жидкостью. [11] Жидкость в состоянии Кэсси–Бакстера более подвижна, чем в состоянии Венцеля. [ нужна ссылка ]
Мы можем предсказать, должно ли существовать состояние Венцеля или Кэсси-Бакстера, рассчитав новый контактный угол с помощью обоих уравнений. Если исходить из аргумента минимизации свободной энергии, то соотношение, предсказывающее меньший новый угол контакта, является состоянием, которое наиболее вероятно существует. Выражаясь математическими терминами, для существования состояния Кэсси-Бакстера должно выполняться следующее неравенство. [12]
Недавний альтернативный критерий состояния Кэсси-Бакстера утверждает, что состояние Кэсси-Бакстера существует, когда соблюдаются следующие два критерия: 1) силы линии контакта преодолевают объемные силы веса неподдерживаемой капли и 2) микроструктуры достаточно высоки, чтобы предотвратить попадание жидкости который предотвращает соприкосновение микроструктур с основанием микроструктур. [13]
Недавно был разработан новый критерий переключения между состояниями Венцеля и Кэсси-Бакстера, основанный на шероховатости поверхности и поверхностной энергии . [14] Критерий фокусируется на способности улавливать воздух каплями жидкости на шероховатых поверхностях, что позволяет определить, следует ли использовать модель Венцеля или модель Кэсси-Бакстер для определенного сочетания шероховатости поверхности и энергии. [ нужна ссылка ]
Угол контакта является мерой статической гидрофобности, а гистерезис угла контакта и угол скольжения являются динамическими показателями. Гистерезис угла смачивания — явление, характеризующее неоднородность поверхности. [15] Когда пипетка вводит жидкость в твердое вещество, жидкость образует некоторый угол контакта. По мере того, как пипетка вводит больше жидкости, капля будет увеличиваться в объеме, угол контакта увеличится, но ее трехфазная граница останется неподвижной до тех пор, пока она внезапно не выдвинется наружу. Угол контакта, который капля имела непосредственно перед продвижением наружу, называется углом контакта. Угол отступления теперь измеряется путем откачивания жидкости обратно из капли. Капля уменьшится в объеме, угол смачивания уменьшится, но ее трехфазная граница останется неподвижной до тех пор, пока она внезапно не уйдет внутрь. Угол контакта, который капля имела непосредственно перед падением внутрь, называется углом контакта капли. Разница между наступающими и отступающими углами контакта называется гистерезисом угла контакта и может использоваться для характеристики неоднородности поверхности, шероховатости и подвижности. [16] Неоднородные поверхности будут иметь области, препятствующие движению линии контакта. Угол скольжения является еще одной динамической мерой гидрофобности и измеряется путем нанесения капли на поверхность и наклона поверхности до тех пор, пока капля не начнет скользить. В целом, жидкости в состоянии Кэсси-Бакстера демонстрируют меньшие углы скольжения и гистерезис угла смачивания, чем жидкости в состоянии Венцеля. [ нужна ссылка ]
Исследования и разработки
[ редактировать ]Деттре и Джонсон обнаружили в 1964 году, что феномен супергидрофобного эффекта лотоса связан с шероховатыми гидрофобными поверхностями, и разработали теоретическую модель, основанную на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или теломером ТФЭ. О свойстве самоочищения супергидрофобных микронаноструктурированных поверхностей сообщалось в 1977 году. [17] Перфторалкил, перфторполиэфир и супергидрофобные материалы, образующиеся в радиочастотной плазме, были разработаны, использованы для электросмачивания и коммерциализированы для биомедицинских применений в период с 1986 по 1995 год. [18] [19] [20] [21] Другие технологии и приложения появились с середины 1990-х годов. [22] В 2002 году была раскрыта прочная супергидрофобная иерархическая композиция, наносимая в один или два этапа, содержащая наночастицы размером ≤ 100 нанометров, покрывающие поверхность, имеющую элементы микронного размера, или частицы размером ≤ 100 микрометров. Было замечено, что более крупные частицы защищают более мелкие частицы от механического истирания. [23]
В недавних исследованиях сообщалось о супергидрофобности, позволяющей димеру алкилкетена (АКД) затвердевать в наноструктурированную фрактальную поверхность. [24] С тех пор во многих статьях были представлены методы изготовления супергидрофобных поверхностей, включая осаждение частиц, [25] золь-гель методики, [26] плазменные процедуры, [27] осаждение паровой фазы, [25] и техники литья. [28] Текущие возможности для воздействия исследований заключаются в основном в фундаментальных исследованиях и практическом производстве. [29] Недавно возникли дебаты относительно применимости моделей Венцеля и Кэсси-Бакстера. В эксперименте, направленном на то, чтобы бросить вызов теории поверхностной энергии модели Венцеля и Кэсси-Бакстера и продвинуть перспективу линии контакта, капли воды были помещены на гладкое гидрофобное пятно в грубом гидрофобном поле, на грубое гидрофобное пятно в гладком гидрофобном поле. и гидрофильное пятно в гидрофобном поле. [30] Эксперименты показали, что химия поверхности и геометрия линии контакта влияют на угол контакта и гистерезис угла контакта , но площадь поверхности внутри линии контакта не оказывает никакого влияния. Также был предложен аргумент, согласно которому увеличение зубчатости линии контакта увеличивает подвижность капель. [31]
Многие гидрофобные материалы, встречающиеся в природе, основаны на законе Кэсси и являются двухфазными на субмикрометровом уровне с одним компонентом воздуха. На этом принципе основан эффект лотоса. Вдохновленные этим , было подготовлено множество функциональных супергидрофобных поверхностей. [32]
Примером бионического или биомиметического супергидрофобного материала в нанотехнологиях является наноконтактная пленка . [ нужна ссылка ]
В одном исследовании представлена поверхность пентоксида ванадия , которая обратимо переключается между супергидрофобностью и супергидрофильностью под воздействием УФ-излучения. [33] Согласно исследованию, любую поверхность можно модифицировать таким образом, нанеся суспензию розообразных частиц V 2 O 5 , например, с помощью струйного принтера . И снова гидрофобность вызывается межламинарными воздушными карманами (отделенными расстоянием 2,1 нм ). Также объясняется влияние ультрафиолета. Ультрафиолетовый свет создает электронно-дырочные пары , при этом дырки реагируют с кислородом решетки, создавая поверхностные кислородные вакансии, в то время как электроны уменьшают V. 5+ to V 3+ . Кислородные вакансии встречаются с водой, и именно поглощение воды поверхностью ванадия делает его гидрофильным. При длительном хранении в темноте вода заменяется кислородом, и гидрофильность снова теряется. [ нужна ссылка ]
Значительному большинству гидрофобных поверхностей гидрофобные свойства придаются структурной или химической модификацией поверхности объемного материала посредством покрытия или обработки поверхности. То есть наличие молекулярных частиц (обычно органических) или структурных особенностей приводит к высоким углам смачивания воды. В последние годы редкоземельных элементов обладают внутренней гидрофобностью. было показано, что оксиды [34] Природная гидрофобность оксидов редкоземельных элементов зависит от ориентации поверхности и уровня кислородных вакансий и, естественно, более надежна, чем покрытия или обработки поверхности, и имеет потенциальное применение в конденсаторах и катализаторах, которые могут работать при высоких температурах или в агрессивных средах. [35]
Приложения и потенциальные применения
[ редактировать ]Гидрофобный бетон производят с середины 20 века. [ нужна ссылка ]
Активные недавние исследования супергидрофобных материалов могут в конечном итоге привести к их более широкому промышленному применению. [36]
Простой способ покрытия хлопчатобумажной ткани кремнеземом . [37] или Титания [38] частиц золь-гель-методом Сообщалось о применении , что защищает ткань от ультрафиолета и делает ее супергидрофобной.
Сообщалось об эффективной процедуре придания полиэтилену супергидрофобности и, следовательно, самоочистки. [39] 99% грязи на такой поверхности легко смывается.
Узорчатые супергидрофобные поверхности также перспективны для создания микрофлюидных устройств в лаборатории на чипе и могут значительно улучшить поверхностный биоанализ. [40]
В фармацевтике гидрофобность фармацевтических смесей влияет на важные показатели качества конечной продукции, такие как растворение лекарственного средства и твердость . [41] Разработаны методы измерения гидрофобности фармацевтических материалов. [42] [43]
Разработка гидрофобных поверхностей с пассивным дневным радиационным охлаждением (PDRC), эффективность которых в отношении отражения солнечной энергии и теплового излучения зависит от их чистоты, улучшила «самоочищение» этих поверхностей. Масштабируемые и устойчивые гидрофобные PDRC, избегающие ЛОС , получили дальнейшее развитие. [44]
См. также
[ редактировать ]- Пенная флотация - процесс избирательного отделения гидрофобных материалов от гидрофильных.
- Гидрофил - молекулярное образование, притягивающееся к воде.
- Гидрофобный эффект – агрегация неполярных молекул в водных растворах.
- Шкалы гидрофобности – относительная гидрофобность или гидрофильность аминокислотных остатков.
- Силиконовый органический водоотталкивающий материал
- Супергидрофобное покрытие – Водоотталкивающее покрытие.
- Ультрагидрофобность , также известная как супергидрофобность – свойство материала чрезвычайно устойчиво к смачиванию.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Арье Бен-Наим Гидрофобное взаимодействие Plenum Press, Нью-Йорк, ISBN 0-306-40222-X
- ^ Ахаван Б., Джарвис К., Маевски П. (ноябрь 2013 г.). «Частицы кремнезема, покрытые гидрофобным плазменным полимером, для удаления углеводородов из нефти». Приложение ACS. Матер. Интерфейсы . 5 (17): 8563–8571. дои : 10.1021/am4020154 . ПМИД 23942510 .
- ^ Лидделл, Х.Г. и Скотт, Р. (1940). Греко-английский лексикон. полностью переработано и дополнено сэром Генри Стюартом Джонсом. при содействии. Родерик Маккензи. Оксфорд: Кларендон Пресс.
- ^ Гаррет, Реджинальд; Гришэм, Чарльз (5 января 2012 г.). Биохимия . Cengage Обучение. стр. 31–35. ISBN 978-1133106296 .
- ^ Сильверстайн Т.П. (1998). «Настоящая причина, почему масло и вода не смешиваются» (PDF) . Журнал химического образования . 75 (1): 116–346. Бибкод : 1998ЖЧЭд..75..116С . дои : 10.1021/ed075p116 . Проверено 9 декабря 2011 г. - через DocDroid.
- ^ Ван С., Цзян Л. (2007). «Определение супергидрофобных состояний». Продвинутые материалы . 19 (21): 3423–3424. Бибкод : 2007AdM....19.3423W . дои : 10.1002/adma.200700934 . S2CID 138017937 .
- ^ Тг (2008). «БИОМИМИКИЯ: Эффект лотоса» . ASEE Призма . 18 (2): 23–23. ISSN 1056-8077 .
- ^ Янг, Т. (1805). «Очерк сцепления жидкостей» . Фил. Пер. Р. Сок. Лонд. 95 : 65–87. дои : 10.1098/rstl.1805.0005 . S2CID 116124581 .
- ^ Венцель, Р.Н. (1936). «Сопротивление твердых поверхностей смачиванию водой». Индийский англ. Хим . 28 (8): 988–994. дои : 10.1021/ie50320a024 .
- ^ де Женн, Пьер-Жиль (2004). Капиллярность и явления смачивания . Спрингер. ISBN 0-387-00592-7 .
- ^ Бакстер А.Б., Кэсси С. (1944). «Смачиваемость пористых поверхностей». Пер. Фарадей Соц. 40 : 546–551. дои : 10.1039/tf9444000546 .
- ^ Кере, Д. (2005). «Неприлипающие капли». Отчеты о прогрессе в физике . 68 (11): 2495–2532. Бибкод : 2005RPPh...68.2495Q . дои : 10.1088/0034-4885/68/11/R01 . S2CID 121128710 .
- ^ Экстранд CW (2005). «Моделирование ультралиофобности: суспензия капель жидкости на одной неровности». Ленгмюр . 21 (23): 10370–10374. дои : 10.1021/la0513050 . ПМИД 16262294 .
- ^ Чжан Ю.Л., Сундарараджан С. (2008). «Супергидрофобные инженерные поверхности с настраиваемой воздухоулавливающей способностью». Журнал микромеханики и микроинженерии . 18 (3): 035024. Бибкод : 2008JMiMi..18c5024Z . дои : 10.1088/0960-1317/18/3/035024 . S2CID 137395618 .
- ^ Джонсон Р.Э., Деттре Р.Х. (1964). «Гистерез угла контакта». Дж. Физ. хим. 68 (7): 1744–1750. дои : 10.1021/j100789a012 .
- ^ Лорен, Сюзанна. «Как измерить гистерезис угла контакта?» . blog.biolinscientific.com . Проверено 31 декабря 2019 г.
- ^ Бартлотт, Уильям; Элер, Неста (1977). Сканирующая электронная микроскопия эпидермальной поверхности сперматофитов . Тропическая и субтропическая флора (на немецком языке). п. 110. ИСБН 978-3-515-02620-8 .
- ^ Дж. Браун. «Патент США 4911782» . Архивировано из оригинала 14 июля 2018 г. Проверено 13 января 2015 г.
- ^ Дж. Браун. «Патент США 5 200 152» . Архивировано из оригинала 27 июля 2017 г. Проверено 13 января 2015 г.
- ^ Национальный научный фонд. «Цитометр с остановленным потоком» .
- ^ Дж. Браун. «Патент США 5 853 894» . Архивировано из оригинала 22 января 2017 г. Проверено 13 января 2015 г.
- ^ Бартлотт, Вильгельм; К. Найнхейс (1997). «Чистота священного лотоса или спасение от загрязнения биологических поверхностей». Планта . 202 : 1–8. Бибкод : 1997Завод.202....1Б . дои : 10.1007/s004250050096 . S2CID 37872229 .
- ^ Дж. Браун. «Патент США 6767587» . Архивировано из оригинала 14 июля 2018 г. Проверено 13 января 2015 г.
- ^ Онда Т., Шибуичи С., Сато Н., Цудзи К. (1996). «Суперводоотталкивающие фрактальные поверхности». Ленгмюр . 12 (9): 2125–2127. дои : 10.1021/la950418o .
- ^ Перейти обратно: а б Мива М., Накадзима А., Фудзисима А., Хашимото К., Ватанабэ Т. (2000). «Влияние шероховатости поверхности на углы скольжения капель воды на супергидрофобных поверхностях». Ленгмюр . 16 (13): 5754–60. дои : 10.1021/la991660o . S2CID 97974935 .
- ^ Ширклифф, штат Нью-Джерси, Макхейл Дж., Ньютон М.И., Перри CC (2003). «По своей сути супергидрофобные кремнийорганические золь-гель пены». Ленгмюр . 19 (14): 5626–5631. дои : 10.1021/la034204f .
- ^ Тир, Министерство здравоохранения; Спанос, КГ; Ридли, П.; Кинмонд, Э.Дж.; Рукуль, В.; Бадьял, JPS ; Брюэр, ЮАР; Коулсон, С.; Уиллис, К. (2002). «Импульсное плазменное осаждение супергидрофобных наносфер». Химия материалов . 14 (11): 4566–4571. дои : 10.1021/cm011600f . ISSN 0897-4756 .
- ^ Бико Дж., Марзолин С., Кере Д. (1999). «Жемчужные капли» . Письма по еврофизике . 47 (6): 743–744. Бибкод : 1999EL.....47..743B . дои : 10.1209/epl/i1999-00453-y .
- ^ Экстранд С (2008). «Самоочищающиеся поверхности: промышленная перспектива». Бюллетень МРС : 733.
- ^ Гао Л., Маккарти Т.Дж. (2007). «Как Венцель и Кэсси ошибались». Ленгмюр . 23 (7): 3762–3765. дои : 10.1021/la062634a . ПМИД 17315893 . S2CID 23260001 .
- ^ Чен В., Фадеев А.Ю., Се М.Э., Онер Д., Янгблад Дж., Маккарти Т.Дж. (1999). «Ультрагидрофобные и ультралиофобные поверхности: некоторые комментарии и примеры». Ленгмюр . 15 (10): 3395–3399. дои : 10.1021/la990074s .
- ^ Ван С.Т., Лю Х., Цзян Л. (2006). «Новейший процесс создания биотехнологической поверхности со специальной смачиваемостью». Ежегодный обзор наноисследований . 1 : 573–628. дои : 10.1142/9789812772374_0013 . ISBN 978-981-270-564-8 .
- ^ Сунь Лим, Хо; Квак, Донхун; Юн Ли, Донг; Гу Ли, Сын; Чо, Килвон (2007). «Обратимое переключение розовидной пленки оксида ванадия под действием УФ-излучения между супергидрофобностью и супергидрофильностью». Дж. Ам. хим. Соц. 129 (14): 4128–4129. дои : 10.1021/ja0692579 . ПМИД 17358065 .
- ^ Tribonet: оксиды редкоземельных элементов делают водоотталкивающие поверхности долговечными.
- ^ Фронзи, М (2019). «Теоретическое понимание гидрофобности поверхностей CeO2 с низким индексом». Прикладная наука о поверхности . 478 : 68–74. arXiv : 1902.02662 . Бибкод : 2019ApSS..478...68F . дои : 10.1016/j.apsusc.2019.01.208 . S2CID 118895100 .
- ^ Бо, Сюэцинь, Чжан; Ицзе, Лю; Юйцзюнь, Го; Вэньфу, Вэй ; от подготовки к электрифицированной железнодорожной охране» . RSC Advances . 14 (17): 12204– 12217. дои : 10.1039/ . PMC 11019352 D3RA08180J
- ^ Сюэ Ч., Цзя С.Т., Чжан Л.К., Чен Х.З., Ван М. (1 июля 2008 г.). «Подготовка супергидрофобных поверхностей на хлопчатобумажных тканях» . Наука и технология перспективных материалов . 9 (3): 035008. Бибкод : 2008STAdM...9c5008X . дои : 10.1088/1468-6996/9/3/035008 . ПМК 5099662 . ПМИД 27878005 .
- ^ Сюэ Ч., Джай С.Т., Чен Х.З., Ван Х. (1 июля 2008 г.). «Супергидрофобные хлопчатобумажные ткани, полученные золь-гель покрытием TiO и гидрофобизацией поверхности» . Наука и технология перспективных материалов . 9 (3): 035001. Бибкод : 2008STAdM...9c5001X . дои : 10.1088/1468-6996/9/3/035001 . ПМК 5099655 . ПМИД 27877998 .
- ^ Юань З, Чен Х, Чжан Дж, Чжао Д, Лю Ю, Чжоу Х, Ли С, Ши П, Тан Дж, Чен Икс (1 декабря 2008 г.). «Получение и характеристика самоочищающегося стабильного супергидрофобного линейного полиэтилена низкой плотности» . Наука и технология перспективных материалов . 9 (4): 045007. Бибкод : 2008STAdM...9d5007Y . дои : 10.1088/1468-6996/9/4/045007 . ПМК 5099649 . ПМИД 27878035 .
- ^ Рессине А., Марко-Варга Г., Лорел Т. (2007). Технология пористых кремниевых белковых микрочипов и ультра-/супергидрофобные состояния для улучшения биоаналитических результатов . Ежегодный обзор биотехнологии. Том. 13. С. 149–200. дои : 10.1016/S1387-2656(07)13007-6 . ISBN 9780444530325 . ПМИД 17875477 .
- ^ Ван, Ифань; Лю, Чжаньцзе; Муццио, Фернандо; Дразер, немец; Каллегари, Херардо (01 марта 2018 г.). «Метод проникновения капель для измерения смачиваемости порошковой смеси» . Международный фармацевтический журнал . 538 (1): 112–118. doi : 10.1016/j.ijpharm.2017.12.034 . ISSN 0378-5173 . ПМИД 29253584 .
- ^ Эмади, Хизер Н.; Кайрак-Талай, Дефне; Литстер, Джеймс Д. (2013). «Режимная карта образования гранул при ударе капли о слой порошка». Журнал Айше . 59 (1): 96–107. Бибкод : 2013АИЧЕ..59...96Е . дои : 10.1002/aic.13952 . ISSN 1547-5905 .
- ^ Ллуса, Маркос; Левин, Майкл; Сни, Рональд Д.; Муццио, Фернандо Дж. (20 февраля 2010 г.). «Измерение гидрофобности смазанных смесей фармацевтических вспомогательных веществ». Порошковая технология . 198 (1): 101–107. дои : 10.1016/j.powtec.2009.10.021 . ISSN 0032-5910 .
- ^ Чен, Мэйцзе; Панг, Дэн; Ян, Хунцзе (апрель 2022 г.). «Экологичные и самоочищающиеся двухслойные покрытия для высокоэффективного радиационного охлаждения в дневное время» . Журнал химии материалов . 10 (2).