Superhidrofobne površine

1. Superhidrofobne površine Avtor: Jure Gantar Mentor: asist. dr. Miha Ravnik

2. Uvod • Površinska napetost, mejni kot • Histereza mejnega kota, zatik mejne črte • Wenzelov model • Cassie-Baxterjev model • Dvojna hrapavost • Digitalna mikrofluidika • Uporaba

3. Površinska napetost • Površinska napetost ( )je posledica privlačnih sil med molekulami kapljevine.

4. Mejni kot • Kot med površjem kapljevine in površino trdnega predmeta • Youngova enačba:

5. Hidrofilne površine • Hidrofobne površine • Superhidrofobne površine • popolna omočitev površine • kapljevina sploh ne omoči površine • Hidrofobne snovi imajo tipične mejne kote okrog 120°do 130°.

6. Neidealne površine • Niso gladke, lahko so celo heterogene po kemijski sestavi Primeri različnih umetno ustvarjenih površin bakra. Stebrički so iz fotorezistorja. Vir: N. J. Shirtclie, G. McHale, M. I. Newton, G. Chabrol, C. C. Perry, Dual-scale roughness produces unusually water repellent surfaces, Advanced Materials, 2004

7. Histereza mejnega kota • Največji mejni kot pred premikom mejne črte imenujemo napredujoči (advancing) mejni kot, najmanjšega pa umikajoči (receding) mejni kot. • Histereza mejnega kota Vir: http://www.kruss.de/en/newsletter/newsletter-archives/2008/issue-19/application/application-02.html

8. Zatik mejne črte • Lokalno tekočina s trdno snovjo oklepa Youngov kot. Na ostrem robu opazimo spremenljivost mejnega kota. • Sila potrebna za premik mejne črte čez nepravilnost:

9. Stanja tekočine na hrapavi površini • Wenzelov način - tekočina napolni razpoke v površini • Cassie-Baxterjev način: v utorih ostane ujet zrak, tekočina delno leži na vrhovih hrapave površine in delno na ujetem zraku.

10. Wenzelov model • Parameter, s katerim opišemo površino imenujemo hrapavost (r). Definiran je kot razmerje med dejansko (celotno) površino in navidezno površino. • Sprememba energije pri premiku mejne črte • V ravnovesju velja • Dejanski mejni kot lahko izrazimo z Youngovim, ki bi veljal za idealno gladko površino.

11. Hidrofobnost ali hidrofilnost površine se povečata. • Enačba ima omejeno veljavnost saj v resnici ne moremo doseči menjega kota 180°, čeprav enačba to dopušča. • Okvirno velja za hrapavosti Vir: David Quere, Non-sticking drops, 2005 Reports on Progress in Physics

12. Cassie-Baxterjev model • V utorih ostane ujet zrak, tekočina delno leži na vrhovih hrapave površine in delno na ujetem zraku. • Stik površine in kapljevine opredelimo z deležom površine, ki je v stiku s kapljevino in ga označimo s .

13. Analogno kot pri Wenzelovem modelu tudi tu izrazimo dejanski mejni kot z Youngovim. • Za opažene vrednosti mejnih kotov 160° pri Youngovem kotu 110° ugotovimo, da je v stiku s tekočino le okrog 10% površine.

14. Za dan Youngov kot lahko na primeru sinusoidne povrsine opazimo, da stopi Cassie-Baxterjev model v veljavo, le če je strmina 'nepravilnosti’ dovolj velika. Prav tako tudi amplituda. • Splošno sta na isti površini lahko mogoča oba režima. Tekočina izbere tistega z nižjo energijo, to je z manjšim mejnim kotom. Za dano površino lahko izrazimo kritični mejni kot. Če je Youngov kot večji od kritičnega nastopi Cassie-Baxterjev režim.

15. Dvojna hrapavost • Posebaj učinkovita za hidrofobnost. • Lotus - površje sestavljeno iz 10µm do 20µm visokih in10 do 15µm širokih papil. Na teh so naloženi epikutikularni voski, ki so hidrofobni in tvorijo drug nivo hrapavosti (reda velikost 1µm). ESM slika površine rastlin Nelumbo nucifera (indijski lotus) – levo in Colocasia esculenta (taro) - desno, merilo predstavlja 20µm Vir: W. Barthlott, C. Neinhuis, Purity of the sacred lotus, or escape from contaminationin biological surfaces, Planta 1997

16. Lotusov efekt • Mejni kot se poveča bolj, kot bi omogočala samo fina ali samo groba hrapavost. • Samočiščenje Prikaz samočiščenja, kapljica živega srebra na površini Colocasia esculenta z merilom 50µm - levo in primerjava prehoda kaplje skozi nečitoče na gladki - sredina in superhidrofobni površini – desno Vir: W. Barthlott, C. Neinhuis, Purity of the sacred lotus, or escape from contaminationin biological surfaces, Planta1997

17. Samočiščenje Vir: http://wthielicke.gmxhome.de/bionik/indexuk.htm

18. Odboj kapljice na superhidrofobni površini Vir: http://www.naturesraincoats.com/Experiments_Droplet%20Impact.html

19. Digitalna mikrofluidika • Je manipuliranje posameznih kapljic s spreminjanjem električnega polja. Običajno s priklapljanjem napetosti na posamezne elektrode postavljene v mrežo. Vir: M. Abdelgawad, A. R. Wheeler, The Digital Revolution: A New Paradigm for Microfluidics, Advanced Materials, 2009

20. Elektroomočevanje • Sprememba mejnega kota zaradi prisotnosti električnega polja. • Ob površini trdne snovi se nabere plast ionov, ki jo obravnavamo kot kondenzator. • Lippmanova enačba: • Zaradi različnih mejnih kotov se kapljica začne premikati. Popravek površinske energije zaradi električnega prispevka (energija kondenzatorja). - skok v električnem potencialu na meji med fazama

21. Tipi naprav • Zaprti tip - omogoča odmerjanje, premikanje, cepljenje in združevanje kapljic. • Odprti tip - običajno ne zmorejo odmerjati ali cepiti kapljic, so pa boljši pri hitrem mešanju, možnosti premikanja večjih kapljic in lažjega dostopa do vzorcev za zunanje senzorje.

22. Premikanje kapljice Vir: http://www.ee.duke.edu/research/microfluidics/

23. Vir: http://www.ee.duke.edu/research/microfluidics/

24. Uporaba • Digitalna mikrofluidika – laboratorij na čipu • na čipu premikamo vzorce in reagente, jih po potrebi mešamo in na njih opravljamo različne teste • velika prilagodljivost platforme • ne potrebuje mehaničnih elementov (ventili, mikrokanali) • sočasno upravljanje več vzorcev • Površine, ki se same čistijo - vetrobranska stekla. • Tekstilna industrija - oblačila, s katerih takoj odteče voda.

25. Zaključek • Površinska napetost, mejni kot • Histereza mejnega kota, zatik mejne črte • Wenzelov model • Cassie-Baxterjev model • Dvojna hrapavost – lotusov efekt, samočiščenje • Digitalna mikrofluidika – elektroomočevanje, zaprti in odprti tip • Uporaba

26. Viri