In der Chemie, hydrophobicity (von der Attischen griechischen Wasserdruckprüfung, Wasser und phobos bedeutend, Angst bedeutend), ist die physikalische Eigenschaft eines Moleküls (bekannt als ein hydrophobe), der von einer Masse von Wasser zurückgetrieben wird.

Hydrophobe Moleküle neigen dazu, nichtpolar zu sein und so andere neutrale Moleküle und nichtpolare Lösungsmittel zu bevorzugen. Hydrophobe Moleküle in Wasser häufig Traube zusammen, sich micelles formend. Das Wasser auf hydrophoben Oberflächen wird einen hohen Kontakt-Winkel ausstellen.

Beispiele von hydrophoben Molekülen schließen den alkanes, die Öle, die Fette und die schmierigen Substanzen im Allgemeinen ein. Hydrophobe Materialien werden für die Öleliminierung von Wasser, dem Management von Olkatastrophen und den chemischen Trennungsprozessen verwendet, um nichtpolar von polaren Zusammensetzungen umzuziehen.

Hydrophob wird häufig austauschbar mit lipophilic, "Fett-Lieben" verwendet. Jedoch sind die zwei Begriffe nicht synonymisch. Während hydrophobe Substanzen gewöhnlich lipophilic sind, gibt es Ausnahmen — wie das Silikon und die Fluorkohlenwasserstoffe.

Chemischer Hintergrund

Gemäß der Thermodynamik bemüht sich Sache, in einem Staat der niedrigen Energie zu sein, und das Abbinden reduziert chemische Energie. Wasser wird elektrisch polarisiert und ist im Stande, Wasserstoffobligationen innerlich zu bilden, der ihm viele seiner einzigartigen physikalischen Eigenschaften gibt. Aber da hydrophobes nicht elektrisch polarisiert werden, und weil sie unfähig sind, Wasserstoffobligationen zu bilden, treibt Wasser hydrophobes, zu Gunsten vom Abbinden mit sich zurück. Es ist diese Wirkung, die die hydrophobe Wechselwirkung verursacht — der an sich irreführend genannt wird, als die energische Kraft aus den wasserquellfähigen Molekülen kommt. So werden sich die zwei unvermischbaren Phasen (wasserquellfähig gegen den hydrophoben) ändern, so dass ihr entsprechendes Zwischengesichtsgebiet minimal sein wird. Diese Wirkung kann im Phänomen genannt Phase-Trennung vergegenwärtigt werden.

Superhydrophobicity

Superhydrophobe Oberflächen, wie die Blätter des Lotusblume-Werks, sind diejenigen, die zum nassen äußerst schwierig sind. Die Kontakt-Winkel eines Wassertröpfchens überschreiten 150 °, und die Rolle - vom Winkel ist weniger als 10 °. Das wird die Wirkung von Lotus genannt.

Theorie

1805 hat Thomas Young den Kontakt-Winkel θ definiert, indem er die Kräfte analysiert hat, die einem flüssigen Tröpfchen folgen, das auf einer festen durch ein Benzin umgebenen Oberfläche ruht.

: = Grenzflächenspannung zwischen dem festen und Gas-

: = Grenzflächenspannung zwischen dem Festkörper und der Flüssigkeit

: = Grenzflächenspannung zwischen der Flüssigkeit und dem Benzin

θ kann mit einem Kontakt-Winkelgoniometer gemessen werden.

Wenzel hat beschlossen, dass, wenn die Flüssigkeit im vertrauten Kontakt mit einer mikrostrukturierten Oberfläche ist, sich θ zu θ\ändern wird

wo r das Verhältnis des wirklichen Gebiets zum geplanten Gebiet ist. Die Gleichung von Wenzel zeigt, dass Mikrostrukturierung einer Oberfläche die natürliche Tendenz der Oberfläche verstärkt. Eine hydrophobe Oberfläche (diejenige, die einen ursprünglichen Kontakt-Winkel hat, der größer ist als 90 °) wird mehr hydrophob, wenn mikrostrukturiert - sein neuer Kontakt-Winkel wird größer als das Original. Jedoch wird eine wasserquellfähige Oberfläche (derjenige, der einen ursprünglichen Kontakt hat, biegen weniger als 90 ° um), mehr wasserquellfähig, wenn mikrostrukturiert - sein neuer Kontakt-Winkel wird weniger als das Original.

Cassie und Baxter haben gefunden, dass, wenn die Flüssigkeit auf den Spitzen von Mikrostrukturen aufgehoben wird, sich θ zu θ ändern wird:

wo φ der Bereichsbruchteil des Festkörpers ist, der die Flüssigkeit berührt. Die Flüssigkeit im Staat von Cassie-Baxter ist beweglicher als im Staat Wenzel.

Wir können voraussagen, ob der Staat von Wenzel oder Cassie-Baxter durch das Rechnen des neuen Kontakt-Winkels mit beiden Gleichungen bestehen sollte. Durch eine Minimierung des freien Energiearguments ist die Beziehung, die den kleineren neuen Kontakt-Winkel vorausgesagt hat, der Staat, um am wahrscheinlichsten zu bestehen. Festgesetzt in mathematischen Begriffen, für den Staat von Cassie-Baxter, um zu bestehen, muss die folgende Ungleichheit wahr sein.

Ein neues alternatives Kriterium für den Staat von Cassie-Baxter behauptet, dass der Staat von Cassie-Baxter besteht, wenn den folgenden 2 Kriterien entsprochen wird: 1) überwinden Kontakt-Linienkräfte Körperkräfte des ununterstützten Tröpfchen-Gewichts, und 2) sind Die Mikrostrukturen hoch genug, um die Flüssigkeit zu verhindern, die Mikrostrukturen davon überbrückt, die Basis der Mikrostrukturen zu berühren.

Ein neues Kriterium für den Schalter zwischen Staaten von Wenzel und Cassie-Baxter ist kürzlich gestützt auf der Oberflächenrauheit und Oberflächenenergie entwickelt worden. Das Kriterium konzentriert sich auf die luftfangende Fähigkeit unter flüssigen Tröpfchen auf rauen Oberflächen, die erzählen konnten, ob das Modell von Wenzel oder das Modell von Cassie-Baster für die bestimmte Kombination der Oberflächenrauheit und Energie verwendet werden sollten.

Kontakt-Winkel ist ein Maß von statischem hydrophobicity, und setzen Sie sich mit magnetischer Winkelträgheit in Verbindung, und Gleiten-Winkel sind dynamische Maßnahmen. Magnetische Kontakt-Winkelträgheit ist ein Phänomen, das Oberflächenheterogenität charakterisiert. Wenn eine Pipette eine Flüssigkeit auf einen Festkörper einspritzt, wird die Flüssigkeit einen Kontakt-Winkel bilden. Da die Pipette mehr Flüssigkeit einspritzt, wird das Tröpfchen im Volumen zunehmen, der Kontakt-Winkel wird zunehmen, aber seine dreiphasige Grenze wird stationär bleiben, bis es plötzlich äußer vorwärts geht. Der Kontakt-Winkel, den das Tröpfchen sofort vor dem äußeren Vorrücken hatte, wird der zunehmende Kontakt-Winkel genannt. Der zurücktretende Kontakt-Winkel wird jetzt durch das Pumpen von der Flüssigkeit zurück aus dem Tröpfchen gemessen. Das Tröpfchen wird im Volumen abnehmen, der Kontakt-Winkel wird abnehmen, aber seine dreiphasige Grenze wird stationär bleiben, bis es plötzlich nach innen zurücktritt. Der Kontakt-Winkel, den das Tröpfchen sofort vor dem Zurücktreten nach innen hatte, wird der zurücktretende Kontakt-Winkel genannt. Der Unterschied zwischen Vorrücken und zurücktretenden Kontakt-Winkeln wird magnetische Kontakt-Winkelträgheit genannt und kann verwendet werden, um Oberflächenheterogenität, Rauheit und Beweglichkeit zu charakterisieren. Oberflächen, die nicht homogen sind, werden Gebiete haben, die Bewegung der Kontakt-Linie behindern. Der Gleiten-Winkel ist ein anderes dynamisches Maß von hydrophobicity und wird durch das Niederlegen eines Tröpfchens auf einer Oberfläche und das Kippen der Oberfläche gemessen, bis das Tröpfchen beginnt zu gleiten. Im Allgemeinen setzen Flüssigkeiten in der Cassie-Baxter Ausstellungsstück niedrigere Gleiten-Winkel und magnetische Kontakt-Winkelträgheit fest als diejenigen im Staat Wenzel.

Forschung und Entwicklung

Das Selbstreinigungseigentum von superhydrophoben Micro-Nanostructured-Oberflächen wurde 1977 berichtet, und perfluoroalkyl und perfluoropolyether superhydrophobe Materialien wurden 1986 entwickelt, um chemische und biologische Flüssigkeiten zu behandeln. Andere biotechnical Anwendungen sind seit den 1990er Jahren erschienen.

In der neuen Forschung ist superhydrophobicity berichtet worden, indem er alkylketene dimer (AKD) erlaubt wird, in einen nanostructured fractal Oberfläche zu konsolidieren. Viele Papiere haben Herstellungsmethoden seitdem vorgelegt, um superhydrophobe Oberflächen einschließlich Partikel-Absetzung, Techniken des Sol-Gels, Plasmabehandlungen, Dampf-Absetzung zu erzeugen, und Techniken zu werfen. Die aktuelle Gelegenheit für den Forschungseinfluss liegt hauptsächlich in der Grundlagenforschung und praktischen Herstellung. Debatten sind kürzlich bezüglich der Anwendbarkeit der Modelle von Wenzel und Cassie-Baxter erschienen. In einem Experiment, das entworfen ist, um die Oberflächenenergieperspektive des Modells von Wenzel und Cassie-Baxter herauszufordern und eine Kontakt-Linienperspektive zu fördern, wurden Wasserfälle auf einem glatten hydrophoben Punkt in einem rauen hydrophoben Feld, einem rauen hydrophoben Punkt in einem glatten hydrophoben Feld und einem wasserquellfähigen Punkt in einem hydrophoben Feld gelegt. Experimente haben gezeigt, dass die Oberflächenchemie und Geometrie an der Kontakt-Linie den Kontakt-Winkel und die magnetische Kontakt-Winkelträgheit betroffen haben, aber die Fläche innerhalb der Kontakt-Linie hatte keine Wirkung. Ein Argument, das Zackigkeit in der Kontakt-Linie vergrößert hat, erhöht Tröpfchen-Beweglichkeit ist auch vorgeschlagen worden.

Viele sehr hydrophobe in der Natur gefundene Materialien verlassen sich auf das Gesetz von Cassie und sind biphasic auf dem Submikrometer-Niveau mit einer Teilluft. Die Lotusblume-Wirkung basiert auf diesem Grundsatz. Begeistert dadurch waren viele funktionelle superhydrophobe Oberflächen bereit.

Ein Beispiel eines biomimetic superhydrophoben Materials in der Nanotechnologie ist nanopin Film. In einer Studie wird ein Vanadium pentoxide Oberfläche, die umkehrbar zwischen superhydrophobicity und superhydrophilicity unter dem Einfluss der UV Radiation umschalten kann, präsentiert. Gemäß der Studie kann jede Oberfläche zu dieser Wirkung durch die Anwendung einer Suspendierung dessen modifiziert werden hat sich VO Partikeln zum Beispiel mit einem inkjet Drucker erhoben. Wieder wird hydrophobicity durch interlaminar Lufttaschen (getrennt durch 2.1 nm Entfernungen) veranlasst. Die UV Wirkung wird auch erklärt. UV Licht schafft Elektronloch-Paare mit den Löchern, die mit Gitter-Sauerstoff reagieren, Oberflächensauerstoff-Vakanzen schaffend, während die Elektronen V zu V abnehmen. Die Sauerstoff-Vakanzen werden durch Wasser entsprochen, und es ist dieses Wasserabsorptionsvermögen durch die Vanadium-Oberfläche, die es wasserquellfähig macht. Durch die verlängerte Lagerung in der Dunkelheit wird Wasser durch Sauerstoff ersetzt, und hydrophilicity wird wieder verloren.

Potenzielle Anwendungen

Die aktive neue Forschung über superhydrophobe Materialien könnte schließlich zu Industrieanwendungen führen. Zum Beispiel ist eine einfache Routine von Überzug-Baumwollstoff mit der Kieselerde oder den titania Partikeln durch die Technik des Sol-Gels berichtet worden, der den Stoff vor dem UV Licht schützt und es superhydrophob macht. Außerdem ist eine effiziente Routine berichtet worden, wegen Polyäthylen superhydrophob zu machen und so selbstzureinigen — 99 % des auf solcher Oberfläche adsorbierten Schmutzes werden leicht abgewaschen. Gemusterte superhydrophobe Oberflächen haben auch die Versprechungen für das Laboratorium auf einem Span, microfluidic Geräte und können sich drastisch verbessern die Oberfläche hat bioanalysis gestützt.

Siehe auch

• Amphiphile
• Schaum-Schwimmen
• Wasserquellfähiger
• Hydrophobe Wirkung
• Hydrophobicity erklettert

Links

• Hoch vergrößertes Image einer superhydrophoben Oberfläche eines Moskito-Eies