г. Москва, ул. Софьи Ковалевской д. 14а  (бомбоубежище)
Мы работаем:
пн-пт : 09:00-16:30
вск и праздничные дни : 
+7(903) 136-66-75 ( круглосуточно)
Гидроизоляция и сухие смеси :  +7 (903) 136-66-75

Тел. +7 (495) 483-72-94

Тел. +7 (909) 964-39-61

Главная
О компании
Материалы
Сертификаты
Новости
Статьи
Контакты
Партнёры
Вы здесь:   ООО "АтакамаСТ"  »  Статьи  »  ПРОФИЛАКТИКА ХИМЧИСТКИ

ПРОФИЛАКТИКА ХИМЧИСТКИ

ЖИРНОЕ ПЯТНО НА ЛЮБИМОМ ПИДЖАКЕ? СЛЕД ОТ КРАСНОГО ВИНА НА КОВРЕ? СКОРО ПОЯВИТСЯ ПАНАЦЕЯ ОТ ПОДОБНЫХ ПРОБЛЕМ

 

КТО БЫ МОГ подумать, что видео с участием пары белых кроссовок и бутылки шоколадного сиропа может стать хитом на YouTube. Тем более что это был всего лишь фрагмент репортажа регионального телевидения о малоизвестной компании, занимающейся разработкой нанотехнологий.

 

Однако ролик набрал уже более 4 миллионов просмотров. Все дело в том, что тягучий шоколад, выливаемый на кроссовки перед камерой, попросту соскальзывает с них, оставляя обувь девственно чистой. В чем секрет? В новом спрее, после обработки которым ткань начинает отталкивать почти любую попадающую на нее жидкость.

 

Если испытания этого удивительного продукта оправдывают возлогаемые на него надежды, в небытие уйдет не только грязная обувь. Там же окажутся и испорченные вещи, которые находились в насквозь промокшей от дождя палатке, и смартфоны с жирными следами пальцев на экранах, и даже бутылки с застрявшим в них кетчупом. Если все идеи, связанные с новой технологией, будут реализонаны, мы получим еще более быстрые самолеты и корабли, безопасные медицинские импланты и многое другое.

 

Люди всегда высоко ценили материалы, способные отталкивать самую распространенную на Земле жидкость - воду. Еще в VI веке до н.э. индейцы майя, чтобы сделать свою одежду непромокаемой, пропитывали ее соком гвинеи - латексом, рассказывает химик Джон Лоудмен. И лишь в 1820-ч годах шотландец Чарльз Макинтош заново открыл этот способ, нечаянно испачкав свой пиджак ядовитой липкой смесью нафта и каучука. Так появились всемирно известные плащи - макинтоши.
Столетие спустя так же случайно был открыт, пожалуй, самый  популярный на сегодняшний день гидрофобный материал. В 1938 году РОй Планкетт из лаборатории DuPont в Дипуотере (штат Нью-Джерси, США) занимался разработкой хладагенов на основе фреона и неожиданно получит вещество с необычайно низким поверхностным трением. Сегодня политетрафторэтилен более известен под торговыми названиями «тефлон» (в качестве антипригарного покрытия для посуды) и «гортекс» (в качестве «дыщащей » водонепроницаемой ткани, применяемой для пошива спецодежды).

 

 

Сухим из воды


По-настоящему надежных непромокаемых материалов сегодня не так уж много. Известно, что эффект смачивания зависит от соотношения сил сцепления между молекулами жидкости и адгезионных сил, которые заставляют эти молекулы прилипать к различным поверхностям. Если силы второго типа преобладают над силами первого, капли жидкого вещества мгновенно теряет свою форму, растекается в виде лужицы с краевым (контактным) углом, близким к нулю, и впитывается в материал (см. схему на с. 76). Однако, если притяжение между молекулами жидкости оказывается сильнее, капелька сохраняет свой сферический вид. В этом случае угол смачивания остается большим (в идеале равен 180о) - и шарик просто скатывается с поверхности материала. Влагостойкими считаются те покрытия, краевой угол которых превышает 90о.

 

Мало что может хорошо отталкивать воду. Ее поляризованные молекулы сцепляются с большинством поверхностей, для которых также характерно неравномерное распределение заряда. Происходит это за счет создания адгезионных электростатических сил. Попав на стекло, шерсть или хлопок, водяные капельки тут же растекаются и в случае с тканями быстро впитываются.

 

Латекс не пропускает воду, так как ее молекулам трудно пройти через слои тесно связанных между собой углеводородных цепочек, составляющих структур материала. Кроме того, на поверхности латекса мало свободных зарядов. То же самое касается политетрафторэтилена: его центральный углеродный скелет окружен атомами фтора, который удерживает свои электроны крепче, чем какой бы то ни было другой элемент. Поскольку притяжения не возникает, между капелькой воды и тефлоном сохраняется краевой угол 110о.

 

 

Подражая лотосу


Однако материалы с самыми сильными гидрофобными свойствами не были открыты в химической лаборатории: как это не удивительно, они пришли к нам из природы. Способность отталкивать воду позволяет растениям очищаться от микробов и пыли, а также облегчает поглощение углекислого газа и выделение кислорода в процессе фотосинтеза. В 1997 году ботаники Кристоф Найнус и Вильгельм Бартлотт из Боннского университета (Германия) с помощью растрового электронного микроскопа изучили структуру листьев более 200 видов растений, чтобы понять, от чего именно зависит их гидрофобность (Annals of Botany, т.79, с. 667).

 

Наиболее выдающимися свойствами в этом отношении обладает лотос, способный появляться «незапятнанным» даже из самых грязных вод и потому считающийся символом чистоты во многих культурах. Его листья вырабатывают воск, который подобно каучуку, состоит из молекул углеводородов, плохо сцепляющихся с водой. Но, как показали исследования, у лотоса есть еще один секрет. Дело в том, что его листья сплошь покрыты микроскопическими бугорками, в углублениях между которыми находится воздух. Такие «воздушные карманы» ограничивают электростатическое взаимодействие капель жидкости с поверхности листа, и поэтому вода собирается в шарики с краевым углом 162о и скатывается вниз.

 

Эффект лотоса называется супергидрофобностью. Считается, что ею обладают покрытия с углом смачивания более 150о или же те материалы, с которых капли соскальзываются при наклоне менее 5о. «Данный феномен сегодня стал предметом многочисленных исследований», - отмечает Михаил Носовский, инженер-механик из Университета штата Висконсин в Малуоки (США).

 

Воссоздать свойства лотоса в лаборатории оказалось несложно: нужно было только взять инертный материал типа политетрафторэтилена и абразивами придать его поверхности шероховатость. «Чем больше микроскопических неровностей - тем лучше», - говорит Гарет Маккинли, инженер-механик из Массачусетского технологического института (США).
«Любвеобильный загрязнитель»
Благодаря ииновациям на разработку которых ученых вдохновил лотос, мы сегодня имеем суперантипригарные сковороды, а также гидрофобные краски и спреи с краевыми углами более 140о, отталкивающие воду и грязь.

 

Но исследователи решили не останавливаться на достигнутом. «От воды мы естественным образом перешли к другим жидкостям - от крови до красного вина», - говорит Дорис Фольмер из Института исследования полимеров имени Макса Планка в Майнце (Германия). Особую проблему представляют собой маслянистые субстанции. Жир не только загрязняет кухонную мебель и одежду, но и способствует размножению бактерий. Сложнее всего очистить от него деликатные поверхности медицинских имплантов и электронных чипов. Масло разрушает резину, из которой изготавливают прокладки для автомобильных двигателей.

 

Если о воде можно сказать, что она ведет себя дружелюбно по отношению к большинству покрытий, то масло прямо-таки пылает к нему страстью. Его молекулы слабее притягиваются друг к другу, поэтому даже при небольшой силе сцепления с поверхностью капля превращается в лужицу и впитывается в материал, от чего безнадежно пострадало уже не одно вечернее платье.

 

Для борьбы с этой проблемой понадобилась применить более тонкий подход. В 2007 году Носоновский пришел к выводу, что при достижении правильной шероховатости путем создания особых углублений, пор и замкнутых бороздок можно получать эффект отталкивания, эквивалентный тому, который наблюдается при больших значениях краевого угла (Langmuir, т.23, с.3157).

 

Это было простое, но очень важное открытие. «Все зависит от конкретного микрорельефа поверхности», - подтверждает Маккинли. В 2008 году он и его коллеги применили данный принцип на практике, получив из диоксида кремния покрытие с микроскопическими выступами грибовидной формы. При контакте с ним и масло, и вода собираются в шарики с краевым углом более 1500 и скатываются вниз. Исследователи характеризуют свой материал как омнифобный, то есть не смачиваемый ничем. (PNAS, т. 105, с 18200).

 

 

 

ГИДРОФОБНОСТЬ В ГРАДУСАХ

 

Краевой угол показывает, насколько сильно капля при попадании на какую-либо поверхность

 

 

Все дело в покрытие


С тех пор было разработано много вариантов подобных покрытий с различной топографией поверхности. Однако все они имеют ряд недостатков. Структуры микро- и наномасштаба легко повреждаются и к тому же баснословно дороги. Поэтому для создания коммерчески доступных продуктов иной подход.
И здесь идею вновь  подсказала природа. На этот раз ученых вдохновило хищное растение непентес, не имеющее на первый взгляд ничего общего с прекрасным лотосом.

 

Внутренние стенки его цилиндрических ловушек испещрены микроскопическими бороздками, между которыми постоянно сочиться нектар, образующий скользкую пленку. Лапки насекомых покрыты жиром, а он, как известно, не смешивается с жидкостями. Поэтому, едва присев на край ловушки, жертва тут же соскальзывает внутрь.

 

В прошлом году группе Джоанны Айзенберг из Гарвардского университета (США) удалось воссоздать эффект непентеса. Исследователи взяли пористый материал и заполнили его пустоты недорогим раствором, молекулы которого, как и у политетрафторэтилена, содержат большое количество атомов фтора, не взаимодействующих практически ни с чем.

 

Полученное покрытие (разработчики дали ему название SLIP) не образует с жидкостями большого краевого угла. Зато по углу наклона ему нет равных: все вещи учавствовавшие в тестировании, соскальзывали с его поверхности при наклоне менее 5о (Nature,т.477, с 443). «Наш материал устойчив ко всем стандартным видам загрязнений. Как показывают эксперименты, он отталкивает от себя воду, лед, масло, кровь, клей, а также противостоит размножению бактерий и нашествию муравьев», - отмечает Айзенберг.

 

Данная технология также позволяет создавать защитные пленки для абсолютно гладких поверхностей, например металлических. Для этого на материал наносится спрей с нанотекстурами, а затем омнифобный раствор. Покрытие SLIP обладают способностью к самовосстановлению: в любые царапины и трещины пористого слоя тотчас самопроизвольно затекает жидкий наполнитель. Кроме того, в отличие от материалов на основе эффекта лотоса, SLIP выдерживают температуры до 250оС и давление, как на семикилометровых океанских глубинах.

 

 

Скользкие моменты


Несмотря на столь впечатляющие свойства, такие покрытия все же имеют ряд недостатков, отмечает Давид Кере из Политехнической школы Парижа (Франция), разработавший похожий материал в 2005 году (Reports on Progress in Physics, т. 68, с.2495).

 

Главная проблема все та же - цена. Стоимость фторированных масел, используемых в качестве омнифобных наполнителей, составляет несколько тысяч долларов за литр. К тому же они потенциально опасны для окружающей среды.

 

Между тем Фольмер сомневается в способностях SLIP. По ее мнению, они будут плохо справляться со своими функциями при контакте с жидкостями, у которых сила сцепления между молекулами еще меньше, чем у масел. К таким жидкостям относятся, например, широко используемые в лабораториях растворители: этиловый спирт, ацетон и бензол. «Звание омнифобный» ко многому обязывает. Думаю, мало какой материал может по-настоящему на него претендовать», - говорит исследовательница.

 

Фольмер предпочитает называть уже свои нанопокрытия суперамфифобными. Получаемые методом сжигания слоя сажи с поверхности диоксида кремния, они дешевы и обладают рельефом, позволяющим им успешно отталкивать как воду, так и жир (Science, т. 335, с.67). «Все, что мне требуется на конференциях для демонстрации моей работы, - это три спички и стеклышко», - говорит Фолльмер. К сожалению, диоксид кремния довольно хрупок, и, хотя исследовательница уже подала заявку на патент, вряд ли ее изобретение поступит на рынок в ближайшее время.

 

Айзенберг же пытается развеять сомнения относительно ее собственной разработки. Она утверждает,  что SLIP уже протестировали на взаимодействие с углеводородом пентаном, поверхностное натяжение которго меньше, чем у жидкостей, перечисленных Фолльмер. В настоящий момент группа Айзенберг изучает эффективность покрытия при нанесении его на алюминиевые листы, используемые в самолетостроении. Есть надежда, что продукты SLIP помогут снижать сопротивление воздуха и будут предотвращать образование наледи на общивке воздушных судов (ACS Nano, т.6, с.6569). Совместно с группой Маккинли ученые также поступили к реализации проекта по заказу Управления военно-морских исследований США, которое дало задание разработать для кораблей и подлодок материал способный противостоять налипанию водорослей и моллюсков. Это позволило бы сократить расходы топлива, связанные с повышенным трением при движении.

 

Носоновский считает технологию SLIP очень перспективной, но все же не лишенной минусов. Один из них - необходимость периодической замены отталкивающего наполнителя, поскольку с каждой капелькой, скатывающейся с поверхности материала, будет уноситься определенная порция раствора. Пока ни одна из инновационных разработок не добралась до прилавков магазинов. Недавно группа под начальством инженера-механика Крипы Варанаси из Массачусетского технологического института заявила о создании нетоксичного внутреннего покрытия для бутылок с кетчупом. Ученые утверждают, что благодаря их изобретению густой соус больше не будет застревать внутри стеклянной тары. Однако для полной реализации идеи исследователям нужно найти коммерческих партнеров.

 

Спрей NeverWet, получивший известность благодаря видео с кроссовками и шоколадным сиропом, возможно, появится в продаже в США уже в этом году, а чуть позже и на мировом рынке - так утверждают создатели продукта из компании Ross Nanotechnology (Ланкастер, штат Пенсильвания). Название нифобного аэрозоль не претендует, поскольку бессилен против растворителей типа ацетона или этилого спирта. Руководители предприятия Энди Джонс не спешит выдавать секрет своего ноу-хау. Он лишь сказал, что раствор состоит из наночастиц, которые особым образом связываются друг с другом при распылении на какую-либо поверхность. При этом краевой угол увеличивается до 165о для воды и до 150о для масла.
Что ж, хотя бы одну новинку мы с вами скоро сможем проверить в действии. Время покажет, оправдают ли омнифобные материалы возложенные на них надежды.

 

Джессика Григс
New Scientist. янв-фев 2013

Все статьи