Материалы SLIPS: больше, чем гидрофобные

Ученые Гарварда создали новое поколение супергидрофобных покрытий. Как и в случае «эффекта лотоса» идея материала позаимствована у природы – на сей раз у цветка непентеса. Новые пористые покрытия SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces) плохо смачиваются практически с любой жидкостью. Похоже, что в будущем можно будет не беспокоиться о возможности испачкать одежду маслом, краской и др., ведь на смену супергидрофобным материалам придут «мультифобные».

Предпосылки к созданию

Простой, недорогой и прочный материал, плохо смачиваемый водой и маслом, имеющий очень низкую адгезию к твердым телам, может найти применение в огромном количестве приложений: от биомедицинских приборов до покрытий нефте- и водопроводов.

Часто взаимодействие между жидкостями и различными поверхностями являются нежелательными: они ограничивают сроки службы материалов в транспортных системах, являются причиной обледенения ЛЭП, приводят к различным загрязнениям, в особенности, создают условия для развития бактерий.

До недавнего времени наиболее перспективными покрытиями считались поверхности, смоделированные по образцу листьев лотоса, микро- и наношероховатости которых обеспечивали супергидрофобность и, как следствие, способность самоочищения (при скатывании с поверхности листьев капли воды удаляют частички пыли и грязи).

d1.jpg Рис. 1. Эффект лотоса: капли катятся по поверхности листа, захватывая посторонние частицы (компьютерная графика). Автор: William Thielicke.

Однако, несмотря на интенсивные исследования в этой области в течение более десяти лет, ученые по-прежнему сталкиваются с проблемами, которые ограничивают практическое применение этих материалов: недостаточная олеофобность, невозможность работы в условиях повышенных механических нагрузок и температур, а также большая себестоимость.

Технология SLIPS

Группе ученых под руководством профессора Джоанны Айзенберг (Joanna Aizenberg, Ph.D.) в Wyss Institute at Harvard University удалось преодолеть указанные недостатки, разработав технологию SLIPS, позволяющую создавать «суперфобные» покрытия на основе пористых структур. По словам ученых, идея разработки была навеяна цветком непентеса кувшинчикового (the Nepenthes), известного своим плотоядным характером по отношению к насекомым.

d2.jpg Рис. 2. Цветок непентеса кувшинчикового (the Nepenthes), наноразмерный рельеф его поверхности обеспечивает идеальное соскальзывание севших на него насекомых.

Технология, разработанная группой Дж. Айзенберг, обладает беспрецедентными до этого возможностями по несмачиваемости различных жидкостей с поверхностью: как чистых, так и многокомпонентных (кровь, нефть, солевые растворы и др.). Созданные образцы SLIPS-материалов могут функционировать при повышенных давлениях, мгновенно самовосстанавливаться и обеспечивать оптическую прозрачность.

d3.jpg Рис. 3. Демонстрация олеофобности SLIPS-материала: даже при очень маленьком наклоне капля нефти скатывается с покрытия.

Кроме того они имеют низкую адгезию с такими твердыми телами, как лед и воск. Эти свойства позволяют использовать SLIPS-материалы для решения многих задач. Также важным достоинством этой технологии является то, что мультифобное покрытие можно создавать из простых и недорогих материалов без специализированного оборудования. Согласно [NanoToday (2011), 7, 35–52] в качестве пористой структуры учеными предлагается использование полимеров на основе полидиметилсилоксана. По мнению Дж. Айзенберг, в частности низкая себестоимость SLIPS-материалов может обеспечить широкое распространение такому приложению как «анти-граффити», цель которого является защита стен от нерадивых художников.

d4.jpg Рис. 4. Демонстрация функции «анти-граффити»: наноструктурированная поверхность «букв» обеспечивает полную несмачиваемость с наносимой краской.

d5.jpg Рис. 5. Процесс получения SLIPS представлят собой нанесение пористой структуры на подложку и ее дальнейшее «наполнение» специальным раствором, создающим мультифобную пленку.

SLIPS как покрытия-репелленты

Функционал SLIPS-покрытий варьируется в зависимости от каждого конкретного применения. В настоящее время ученые называют следующие разработанные ими варианты оптимизации материалов: возможность работы в условиях большого перепада температур и давлений, возможность быстрого самовосстановления, оптическая прозрачность и химическая инертность. Эти свойства определяют множество потенциальных приложений, в которых может быть включен как один, так и несколько из описанных вариантов оптимизации, что обуславливает абсолютное первенство среди существующих репеллент-технологий.

Например, стабильность SLIPS-материалов при различных температурах и давлениях делает их идеальным решением для покрытий нефте- и водопроводов, а также антиобледенительных покрытий для приборов, работающих в условиях крайнего севера. Кроме того, оптическая прозрачность (в видимом и ближнем ИК-диапазоне) и самоочищающиеся свойства SLIPS позволяют использовать их для создания покрытий на оптических поверхностях, таких как солнечные батареи, линзы, сенсорные датчики и приборы ночного видения.

Несмачиваемость материалов SLIPS с биологическими жидкостями позволяют эффективно применять их в борьбе с «биозагрязнением» покрытий медицинских приборов и инструментов, а также внешних поверхностей морских судов, а его устойчивость к давлению, позволяет использовать эти материалы для глубоководных исследований. Также мультифобная натура SLIPS-материалов может принести пользу в защите от насекомых (непосредственный аналог цветка нементеса) – при создании специальных порогов, с поверхностей которых при малейшем движении муравьи и другие насекомые будут соскальзывать.

Конечно, большой интерес представляет собой как состав раствора, которым наполняют пористую структуру, так и условия его нанесения. Однако, об этом можно только догадываться.

d6.png Рис. 6. Проф. Джоанна Айзенберг.

Проф. Джоанна Айзенберг, Директор Института Кавли по бионанотехнологиям Университета Гарварда, в 1984 г. окончила с отличием химический факультет МГУ; в 1996 г. защитила Ph.D. в Институте Вейцмана (Реховот, Израиль); с 2007 г. работает в Гарварде, входит в совет директоров Общества по исследованию материалов Американской ассоциации развития науки (the Materials Research Society of the American Association for the Advancement of Science).

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.8 (11 votes)
Источник(и):

1. Гарвардский университет

2. nanometer.ru