Гидрофоб - Hydrophobe

Для использования в других целях см. Гидрофобия (значения).
Угол контакта с водой 165 градусов на поверхности, модифицированной с использованием химии поверхности системы плазменной технологии. Угол контакта равен красному углу плюс 90 градусов.
Роса падение на гидрофобный поверхность листа
Резка капли воды используя супергидрофобный нож на супергидрофобных поверхностях
Капли воды на гидрофобной поверхности травы

В химия, гидрофобность физическое свойство молекула это похоже отталкивается из массы воды (известный как гидрофоб).[1] (Строго говоря, здесь нет силы отталкивания; это отсутствие притяжения.)[нужна цитата ] В отличие, гидрофилы привлечены к воде.

Гидрофобные молекулы обычно неполярный и, таким образом, предпочитают другие нейтральные молекулы и неполярные растворители. Поскольку молекулы воды полярны, гидрофобы не растворяться хорошо среди них. Гидрофобные молекулы в воде часто группируются вместе, образуя мицеллы. Вода на гидрофобных поверхностях будет демонстрировать высокую угол контакта.

Примеры гидрофобных молекулы включить алканы, масла, жиры, и жирные вещества в целом. Гидрофобные материалы используются для удаления масла из воды, управления разливы нефти, и процессы химического разделения для удаления неполярных веществ из полярных соединений.[2]

Гидрофобный часто используется как синоним липофильный, «жиролюбивый». Однако эти два термина не являются синонимами. Хотя гидрофобные вещества обычно липофильны, есть исключения, такие как силиконы и фторуглероды.

Период, термин гидрофоб исходит из Древнегреческий ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), «ужасающий воду», построенный из Древнегреческий ὕδωρ (húdōr) 'вода' и Древнегреческий φόβος (phóbos) 'страх'.[3]

Химический фон

Основная статья: Гидрофобный эффект

Гидрофобное взаимодействие в основном энтропийный эффект, возникающий из-за нарушения высокодинамичного водородные связи между молекулами жидкой воды неполярным растворенным веществом, образующим клатрат -подобная структура вокруг неполярных молекул. Эта образованная структура более упорядочена, чем свободные молекулы воды, из-за того, что молекулы воды организуют себя для максимально возможного взаимодействия друг с другом, и, таким образом, приводит к более высокому энтропийному состоянию, которое заставляет неполярные молекулы слипаться вместе, чтобы уменьшить площадь поверхности, подверженная воздействию воды и уменьшить энтропию системы.[4][5] Таким образом, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная или гидрофобная) изменятся так, что их соответствующая межфазная площадь будет минимальной. Этот эффект можно визуализировать в явлении, называемом фаза разделение.

Супергидрофобность

Основная статья: Супергидрофоб
Капля воды на листе растения лотоса.

Супергидрофобный поверхности, такие как листья лотоса, очень трудно намочить. В углы контакта капли воды превышает 150 °.[6] Это называется эффект лотоса, и в первую очередь физическое имущество, связанное с межфазное натяжение, а не химическое свойство.

Теория

В 1805 году Томас Янг определил угол контакта θ путем анализа сил, действующих на каплю жидкости, покоящуюся на твердой поверхности, окруженной газом.[7]

Капля жидкости лежит на твердой поверхности и окружена газом. Угол контакта, θC, - угол, образованный жидкостью на границе трех фаз, где пересекаются жидкость, газ и твердое тело.
Капля, покоящаяся на твердой поверхности и окруженная газом, образует характерный угол смачиванияθ. Если твердая поверхность шероховатая, а жидкость находится в тесном контакте с твердыми неровностями, капля находится в состоянии Венцеля. Если жидкость остается на вершинах выступов, она находится в состоянии Кэсси – Бакстера.

куда

= 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 гониометр угла контакта.

Венцель определил, что, когда жидкость находится в тесном контакте с микроструктурированной поверхностью, θ изменится на θВт *

куда р - отношение фактической площади к проектируемой.[8] Уравнение Венцеля показывает, что микроструктурирование поверхности усиливает естественную тенденцию поверхности. Гидрофобная поверхность (та, которая имеет исходный угол смачивания более 90 °) становится более гидрофобной при микроструктурировании - ее новый угол смачивания становится больше, чем исходный. Однако гидрофильная поверхность (та, которая имеет исходный угол смачивания менее 90 °) становится более гидрофильной при микроструктурировании - ее новый угол смачивания становится меньше исходного.[9]Кэсси и Бакстер обнаружили, что если жидкость находится во взвешенном состоянии на вершинах микроструктур, θ изменится на θCB *:

куда φ - доля площади твердого тела, соприкасающегося с жидкостью.[10] Жидкость в состоянии Кэсси – Бакстера более подвижна, чем в состоянии Венцеля.

Мы можем предсказать, должно ли существовать состояние Венцеля или Кэсси – Бакстера, вычислив новый угол смачивания с помощью обоих уравнений. Путем минимизации аргумента о свободной энергии соотношение, которое предсказывало меньший новый угол смачивания, является наиболее вероятным состоянием. С математической точки зрения, для существования состояния Кэсси – Бакстера должно выполняться следующее неравенство.[11]

Недавний альтернативный критерий для состояния Кэсси-Бакстера утверждает, что состояние Кэсси-Бакстера существует, когда выполняются следующие 2 критерия: 1) силы контактной линии преодолевают массовые силы веса неподдерживаемой капли и 2) микроструктуры достаточно высоки, чтобы предотвратить попадание жидкости который связывает микроструктуры от соприкосновения с основанием микроструктур.[12]

Недавно был разработан новый критерий переключения между состояниями Венцеля и Кэсси-Бакстера, основанный на шероховатости поверхности и поверхностной энергии.[13] Критерий фокусируется на способности удерживать воздух под каплями жидкости на шероховатых поверхностях, что может помочь определить, следует ли использовать модель Венцеля или модель Кэсси-Бакстер для определенного сочетания шероховатости поверхности и энергии.

Угол смачивания является мерой статической гидрофобности, а гистерезис контактного угла и угол скольжения являются динамическими мерами. Гистерезис контактного угла явление, характеризующее неоднородность поверхности.[14] Когда пипетка впрыскивает жидкость в твердое тело, жидкость образует некоторый контактный угол. По мере того, как пипетка впрыскивает больше жидкости, капля будет увеличиваться в объеме, угол смачивания увеличится, но ее трехфазная граница будет оставаться неподвижной, пока она внезапно не продвинется наружу. Угол контакта, который имела капля непосредственно перед продвижением наружу, называется краевым углом продвижения. Угол смачивания смачивания теперь измеряется путем откачки жидкости обратно из капли. Капля уменьшится в объеме, угол смачивания уменьшится, но ее трехфазная граница будет оставаться неподвижной, пока она внезапно не отступит внутрь. Угол контакта, который имела капля непосредственно перед уходом внутрь, называется углом смачивания. Разница между углами смачивания и отступления называется гистерезис контактного угла и может использоваться для характеристики неоднородности, шероховатости и подвижности поверхности.[15] Неоднородные поверхности будут иметь домены, препятствующие движению контактной линии. Угол скольжения является еще одним динамическим показателем гидрофобности и измеряется путем нанесения капли на поверхность и наклона поверхности до тех пор, пока капля не начнет скользить. Как правило, жидкости в состоянии Кэсси – Бакстера имеют более низкие углы скольжения и гистерезис контактного угла чем в штате Венцель.

Исследования и разработки

Капли воды скатываются по наклонной гидрофобной поверхности.
Капли воды на искусственной гидрофобной поверхности (слева)

Деттре и Джонсон обнаружили в 1964 году, что супергидрофобные эффект лотоса Это явление было связано с грубыми гидрофобными поверхностями, и они разработали теоретическую модель, основанную на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или теломером ТФЭ. Свойство самоочищения супергидрофобных микро-наноструктурированный о поверхностях было сообщено в 1977 году.[16] Были разработаны перфторалкильные, перфторполиэфирные и плазменные супергидрофобные материалы RF, используемые для электросмачивание и коммерциализирована для биомедицинских приложений в период с 1986 по 1995 год.[17][18][19][20] Другие технологии и приложения появились с середины 1990-х годов.[21] В 2002 году была раскрыта прочная супергидрофобная иерархическая композиция, наносимая в один или два этапа, включающая наноразмерные частицы ≤ 100 нанометров, покрывающие поверхность, имеющую элементы микрометрового размера, или частицы ≤ 100 микрометров. Наблюдалось, что более крупные частицы защищают более мелкие частицы от механического истирания.[22]

В недавних исследованиях сообщалось о супергидрофобности, если допустить, что алкилкетен димер (AKD), чтобы затвердеть в наноструктурированную фрактальную поверхность.[23] С тех пор во многих статьях были представлены методы изготовления супергидрофобных поверхностей, включая осаждение частиц,[24] золь-гель методы,[25] плазменные процедуры,[26] осаждение из паровой фазы,[24] и техника литья.[27] Сегодняшние возможности для воздействия исследований лежат в основном в фундаментальных исследованиях и практическом производстве.[28] В последнее время возникли дебаты относительно применимости моделей Венцеля и Кэсси – Бакстера. В эксперименте, призванном оспорить перспективу поверхностной энергии модели Венцеля и Кэсси-Бакстера и продвигать перспективу линии контакта, капли воды помещались на гладкое гидрофобное пятно в грубом гидрофобном поле, грубое гидрофобное пятно в гладком гидрофобном поле. и гидрофильное пятно в гидрофобном поле.[29] Эксперименты показали, что химический состав поверхности и геометрия в зоне контакта влияют на угол смачивания и гистерезис контактного угла, но площадь поверхности внутри контактной линии не повлияла. Также был предложен аргумент о том, что повышенная неровность линии контакта увеличивает подвижность капель.[30]

Многие гидрофобные материалы, встречающиеся в природе, полагаются на Закон Кэсси и есть двухфазный на субмикронном уровне однокомпонентным воздухом. Эффект лотоса основан на этом принципе. Вдохновленный этим подготовлено множество функциональных супергидрофобных поверхностей.[31]

Пример бионический или же биомиметик супергидрофобный материал в нанотехнологии является нанопиновая пленка.

Одно исследование представляет пятиокись ванадия поверхность, которая обратимо переключается между супергидрофобностью и супергидрофильность под воздействием УФ-излучения.[32] Согласно исследованию, любая поверхность может быть модифицирована с этой целью путем нанесения приостановка розового V2О5 частицы, например, с Струйный принтер. И снова гидрофобность вызывается межслойными воздушными карманами (разделенными 2,1 нм расстояния). Также объясняется УФ-эффект. УФ-свет создает электронно-дырочные пары, при этом дырки реагируют с кислородом решетки, создавая поверхностные кислородные вакансии, а электроны уменьшают V5+ к V3+. Кислородные вакансии заполняются водой, и именно эта водопоглощающая способность поверхностью ванадия делает ее гидрофильной. При длительном хранении в темноте вода заменяется кислородом и гидрофильность снова потеряно.

Значительному большинству гидрофобных поверхностей гидрофобные свойства придаются структурной или химической модификацией поверхности объемного материала с помощью покрытий или обработки поверхности. Другими словами, присутствие молекулярных частиц (обычно органических) или структурных особенностей приводит к высоким краевым углам смачивания воды. В былые времена, редкоземельный Было показано, что оксиды обладают внутренней гидрофобностью.[33] Собственная гидрофобность оксидов редкоземельных элементов зависит от ориентации поверхности и уровней кислородных вакансий,[34] и, естественно, более прочен, чем покрытия или обработка поверхности, имеет потенциальное применение в конденсаторах и катализаторах, которые могут работать при высоких температурах или в агрессивных средах.

Приложения и потенциальные приложения

Гидрофобный бетон производится с середины 20 века.

Недавние активные исследования супергидрофобных материалов могут в конечном итоге привести к более широкому промышленному применению.

Простая процедура покрытия хлопковой ткани кремнезем[35] или же титания[36] частицы золь-гель техника Сообщалось, что он защищает ткань от УФ-излучения и делает ее супергидрофобной.

Сообщается об эффективном распорядке для создания полиэтилен супергидрофобный и, следовательно, самоочищающийся.[37] 99% грязи на такой поверхности легко смываются.

Узорчатые супергидрофобные поверхности также имеют многообещающее значение для микрожидкостных устройств «лаборатория на чипе» и могут значительно улучшить поверхностный биоанализ.[38]

В фармацевтике гидрофобность фармацевтических смесей влияет на важные характеристики качества конечных продуктов, такие как растворение наркотиков и твердость.[39] Были разработаны методы измерения гидрофобности фармацевтических материалов.[40][41]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Арье Бен-Наим Гидрофобное взаимодействие Пленум Пресс, Нью-Йорк, ISBN  0-306-40222-X
  2. ^ Ахаван Б., Джарвис К., Маевски П. (ноябрь 2013 г.). «Гидрофобные плазменные частицы диоксида кремния с полимерным покрытием для удаления углеводородов нефти». ACS Appl. Mater. Интерфейсы. 5 (17): 8563–8571. Дои:10.1021 / am4020154. PMID  23942510.
  3. ^ Лидделл, Х.Г. и Скотт, Р. (1940). Греко-английский лексикон. полностью пересмотрен и дополнен сэром Генри Стюартом Джонсом. с помощью. Родерик Маккензи. Оксфорд: Clarendon Press.
  4. ^ Гаррет, Реджинальд; Гришэм, Чарльз (5 января 2012 г.). Биохимия. Cengage Learning. С. 31–35. ISBN  978-1133106296.
  5. ^ Сильверштейн Т.П. (1998). «Настоящая причина, по которой масло и вода не смешиваются» (PDF). Журнал химического образования. 75 (1): 116–346. Bibcode:1998JChEd..75..116S. Дои:10.1021 / ed075p116. Получено 9 декабря 2011.
  6. ^ Ван С., Цзян Л. (2007). «Определение супергидрофобных состояний». Современные материалы. 19 (21): 3423–3424. Дои:10.1002 / adma.200700934.
  7. ^ Янг, Т. (1805). «Эссе о сцеплении жидкостей». Фил. Пер. R. Soc. Лондон. 95: 65–87. Дои:10.1098 / рстл.1805.0005.
  8. ^ Венцель, Р. Н. (1936). «Устойчивость твердых поверхностей к смачиванию водой». Ind. Eng. Chem. 28 (8): 988–994. Дои:10.1021 / ie50320a024.
  9. ^ де Жен, Пьер-Жиль (2004). Капиллярность и явления смачивания. ISBN  0-387-00592-7.
  10. ^ Бакстер А.Б., Кэсси С. (1944). «Смачиваемость пористых поверхностей». Пер. Faraday Soc. 40: 546–551. Дои:10.1039 / tf9444000546.
  11. ^ Quere, D (2005). «Антипригарные капли». Отчеты о достижениях физики. 68 (11): 2495–2532. Bibcode:2005RPPh ... 68.2495Q. Дои:10.1088 / 0034-4885 / 68/11 / R01.
  12. ^ Extrand CW (2005). «Моделирование ультралиофобности: взвесь жидких капель на единственной неровности». Langmuir. 21 (23): 10370–10374. Дои:10.1021 / la0513050. PMID  16262294.
  13. ^ Чжан Ю.Л., Сундарараджан С. (2008). «Супергидрофобные инженерные поверхности с регулируемой способностью захватывать воздух». Журнал микромеханики и микротехники. 18 (3): 035024. Bibcode:2008JMiMi..18c5024Z. Дои:10.1088/0960-1317/18/3/035024.
  14. ^ Джонсон Р. Р., Деттре Р. Х. (1964). «Гистерезис контактного угла». J. Phys. Chem. 68 (7): 1744–1750. Дои:10.1021 / j100789a012.
  15. ^ Лорен, Сюзанна. "Как измерить гистерезис контактного угла?". blog.biolinscientific.com. Получено 2019-12-31.
  16. ^ Бартлотт, Вильгельм; Элер, Неста (1977). Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten. Tropische und subtropische Pflanzenwelt (на немецком языке). п. 110. ISBN  978-3-515-02620-8.
  17. ^ Дж. Браун. «Патент США 4,911,782».
  18. ^ Дж. Браун. «Патент США 5,200,152».
  19. ^ Национальный фонд науки. «Цитометр с остановленным потоком».
  20. ^ Дж. Браун. «Патент США 5 853 894».
  21. ^ Бартлотт, Вильгельм; К. Нейнхейс (1997). «Чистота священного лотоса или спасение от загрязнения биологических поверхностей». Planta. 202: 1–8. Дои:10.1007 / s004250050096.
  22. ^ Дж. Браун. «Патент США 6,767,587».
  23. ^ Онда Т., Шибуичи С., Сато Н., Цуджи К. (1996). «Суперводоотталкивающие фрактальные поверхности». Langmuir. 12 (9): 2125–2127. Дои:10.1021 / la950418o.
  24. ^ а б Мива М., Накадзима А., Фудзисима А., Хашимото К., Ватанабэ Т. (2000). «Влияние шероховатости поверхности на углы скольжения капель воды на супергидрофобных поверхностях». Langmuir. 16 (13): 5754–60. Дои:10.1021 / la991660o.
  25. ^ Руберклифф, штат Нью-Джерси, Макхейл, Дж., Ньютон, М.И., Перри, С.К. (2003). «По своей сути супергидрофобные золь-гель кремнийорганические пены». Langmuir. 19 (14): 5626–5631. Дои:10.1021 / la034204f.
  26. ^ Тир, Д. О. Х .; Spanos, C.G .; Ridley, P .; Kinmond, E.J .; Roucoules, V .; Бадьял, Дж. П. С.; Brewer, S.A .; Coulson, S .; Уиллис, К. (2002). «Импульсное плазменное осаждение супергидрофобных наносфер». Химия материалов. 14 (11): 4566–4571. Дои:10,1021 / см011600f. ISSN  0897-4756.
  27. ^ Бико Дж., Марзолин С., Квере Д. (1999). «Жемчужные капли». Письма еврофизики. 47 (6): 743–744. Bibcode:1999ЭЛ ..... 47..743Б. Дои:10.1209 / epl / i1999-00453-y.
  28. ^ Экстранд C (2008). «Самоочищающиеся поверхности: промышленная перспектива». Бюллетень MRS: 733.
  29. ^ Гао Л., Маккарти Т.Дж. (2007). "Как Венцель и Кэсси ошибались". Langmuir. 23 (7): 3762–3765. Дои:10.1021 / la062634a. PMID  17315893.
  30. ^ Чен В., Фадеев А.Ю., Се М.Э., Энер Д., Янгблад Дж., Маккарти Т.Дж. (1999). «Ультрагидрофобные и ультралиофобные поверхности: некоторые комментарии и примеры». Langmuir. 15 (10): 3395–3399. Дои:10.1021 / la990074s.
  31. ^ Ван С.Т., Лю Х., Цзян Л. (2006). «Недавний процесс на био-вдохновленной поверхности с особой смачиваемостью». Годовой обзор наноисследований. 1: 573–628. Дои:10.1142/9789812772374_0013. ISBN  978-981-270-564-8.
  32. ^ Сун Лим, Хо; Квак, Донхун; Юн Ли, Донг; Гу Ли, Сын; Чо, Килвон (2007). "УФ-управляемое обратимое переключение розовидной пленки оксида ванадия между супергидрофобностью и супергидрофильностью". Варенье. Chem. Soc. 129 (14): 4128–4129. Дои:10.1021 / ja0692579. PMID  17358065.
  33. ^ Трибонет: оксиды редкоземельных металлов обеспечивают долговечность водоотталкивающих поверхностей.
  34. ^ Фронзи, М (2019). «Теоретическое понимание гидрофобности поверхностей с низким индексом CeO2». Прикладная наука о поверхности. 478: 68–74. arXiv:1902.02662. Bibcode:2019ApSS..478 ... 68F. Дои:10.1016 / j.apsusc.2019.01.208.
  35. ^ Xue CH, Jia ST, Zhang LQ, Chen HZ, Wang M (1 июля 2008 г.). «Подготовка супергидрофобных поверхностей на хлопчатобумажных тканях». Наука и технология перспективных материалов. 9 (3): 035008. Bibcode:2008STAdM ... 9c5008X. Дои:10.1088/1468-6996/9/3/035008. ЧВК  5099662. PMID  27878005.
  36. ^ Xue CH, Jai ST, Chen HZ, Wang H (1 июля 2008 г.). «Супергидрофобные хлопчатобумажные ткани, полученные путем золь – гель-покрытия TiO и гидрофобизации поверхности». Наука и технология перспективных материалов. 9 (3): 035001. Bibcode:2008STAdM ... 9c5001X. Дои:10.1088/1468-6996/9/3/035001. ЧВК  5099655. PMID  27877998.
  37. ^ Юань З, Чен Х, Чжан Дж, Чжао Д., Лю И, Чжоу Х, Ли С., Ши П, Тан Дж, Чен Х (1 декабря 2008 г.). «Получение и характеристика самоочищающегося стабильного супергидрофобного линейного полиэтилена низкой плотности». Наука и технология перспективных материалов. 9 (4): 045007. Bibcode:2008STAdM ... 9d5007Y. Дои:10.1088/1468-6996/9/4/045007. ЧВК  5099649. PMID  27878035.
  38. ^ Рессин А., Марко-Варга Г., Лорелл Т. (2007). «Технология микрочипов из пористого кремниевого белка и ультра- / супергидрофобные состояния для улучшенного биоаналитического считывания». Ежегодный обзор биотехнологии. 13: 149–200. Дои:10.1016 / S1387-2656 (07) 13007-6. ISBN  9780444530325. PMID  17875477. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  39. ^ Ван, Ифань; Лю, Чжаньцзе; Муццио, Фернандо; Дразер, немец; Каллегари, Херардо (01.03.2018). «Метод каплепадения для измерения смачиваемости порошковой смеси». Международный журнал фармацевтики. 538 (1): 112–118. Дои:10.1016 / j.ijpharm.2017.12.034. ISSN  0378-5173. PMID  29253584.
  40. ^ Эмади, Хизер Н .; Кайрак ‐ Талай, Дефне; Литстер, Джеймс Д. (2013). «Схема режима образования гранул при ударе капли о пороховые слои». Журнал Айше. 59 (1): 96–107. Дои:10.1002 / aic.13952. ISSN  1547-5905.
  41. ^ Ллуза, Маркос; Левин, Михаил; 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.

внешняя ссылка