В химии гидрофобность — это физическое свойство молекулы , которая, по-видимому, отталкивается от массы воды (называемой гидрофобом ). [1] Напротив, гидрофилы притягиваются к воде.
Гидрофобные молекулы, как правило, неполярны и , таким образом, предпочитают другие нейтральные молекулы и неполярные растворители . Поскольку молекулы воды полярны, гидрофобные молекулы плохо растворяются среди них. Гидрофобные молекулы в воде часто группируются вместе, образуя мицеллы . Вода на гидрофобных поверхностях будет демонстрировать высокий угол контакта .
Примерами гидрофобных молекул являются алканы , масла , жиры и жирные вещества в целом. Гидрофобные материалы используются для удаления нефти из воды, управления разливами нефти и процессов химического разделения для удаления неполярных веществ из полярных соединений. [2]
Гидрофобный часто используется взаимозаменяемо с липофильным , «любящим жир». Однако эти два термина не являются синонимами. Хотя гидрофобные вещества обычно липофильны, существуют исключения, такие как силиконы и фторуглероды . [ требуется цитата ]
Термин «гидрофоб» происходит от древнегреческого ὑδρόφοβος ( hydrophobos ), «имеющий страх перед водой», образованного от древнегреческого ὕδωρ (húdōr) «вода» и древнегреческого φόβος (phóbos) «страх». [3]
Гидрофобное взаимодействие в основном является энтропийным эффектом, возникающим из-за разрыва высокодинамичных водородных связей между молекулами жидкой воды неполярным растворенным веществом, в результате чего вода образует клатратоподобную структуру вокруг неполярных молекул. Эта сформированная структура более упорядочена, чем свободные молекулы воды, из-за того, что молекулы воды организуются для максимально возможного взаимодействия друг с другом, и, таким образом, приводит к более высокому энтропийному состоянию, которое заставляет неполярные молекулы слипаться, чтобы уменьшить площадь поверхности, подверженную воздействию воды , и уменьшить энтропию системы. [4] [5] Таким образом, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная и гидрофобная) изменятся так, что их соответствующая площадь интерфейса будет минимальной. Этот эффект можно визуализировать в явлении, называемом разделением фаз . [ необходима цитата ]
Супергидрофобные поверхности, такие как листья лотоса, чрезвычайно трудно смачивать. Контактные углы капли воды превышают 150°. [6] Это называется эффектом лотоса и в первую очередь является физическим свойством, связанным с межфазным натяжением , а не химическим свойством. [7]
В 1805 году Томас Юнг определил контактный угол θ, проанализировав силы, действующие на каплю жидкости, покоящуюся на твердой поверхности, окруженной газом. [8]
где
θ можно измерить с помощью контактного угломера .
Венцель определил, что когда жидкость находится в тесном контакте с микроструктурированной поверхностью, θ изменится на θ W*
где r — отношение фактической площади к проецируемой площади. [9] Уравнение Венцеля показывает, что микроструктурирование поверхности усиливает естественную тенденцию поверхности. Гидрофобная поверхность (имеющая исходный угол контакта больше 90°) становится более гидрофобной при микроструктурировании — ее новый угол контакта становится больше исходного. Однако гидрофильная поверхность (имеющая исходный угол контакта меньше 90°) становится более гидрофильной при микроструктурировании — ее новый угол контакта становится меньше исходного. [10] Кэсси и Бакстер обнаружили, что если жидкость находится на вершинах микроструктур, θ изменится на θ CB* :
где φ — доля площади твердого тела, которая касается жидкости. [11] Жидкость в состоянии Кэсси–Бакстера более подвижна, чем в состоянии Венцеля. [ необходима цитата ]
Мы можем предсказать, должно ли существовать состояние Венцеля или Кэсси–Бакстера, вычислив новый контактный угол с помощью обоих уравнений. По аргументу минимизации свободной энергии, отношение, которое предсказывало меньший новый контактный угол, является наиболее вероятным состоянием. Выражаясь математическим языком, для существования состояния Кэсси–Бакстера должно выполняться следующее неравенство. [12]
Недавний альтернативный критерий для состояния Кэсси–Бакстера утверждает, что состояние Кэсси–Бакстера существует, когда выполняются следующие 2 критерия: 1) силы линии контакта преодолевают объемные силы веса неподдерживаемой капли и 2) микроструктуры достаточно высокие, чтобы не допустить соприкосновения жидкости, которая перекрывает микроструктуры, с основанием микроструктур. [13]
Недавно был разработан новый критерий для переключения между состояниями Венцеля и Кэсси-Бакстера, основанный на шероховатости поверхности и поверхностной энергии . [14] Критерий фокусируется на способности воздуха удерживаться под каплями жидкости на шероховатых поверхностях, что может подсказать, следует ли использовать модель Венцеля или модель Кэсси-Бакстера для определенной комбинации шероховатости поверхности и энергии. [ необходима ссылка ]
Угол контакта является мерой статической гидрофобности, а гистерезис угла контакта и угол скольжения являются динамическими мерами. Гистерезис угла контакта является явлением, которое характеризует неоднородность поверхности. [15] Когда пипетка впрыскивает жидкость на твердое тело, жидкость образует некоторый угол контакта. По мере того, как пипетка впрыскивает больше жидкости, капля будет увеличиваться в объеме, угол контакта будет увеличиваться, но ее трехфазная граница останется неподвижной, пока она внезапно не выдвинется наружу. Угол контакта, который капля имела непосредственно перед выдвижением наружу, называется наступающим углом контакта. Угол контакта при отступлении теперь измеряется путем откачивания жидкости обратно из капли. Капля будет уменьшаться в объеме, угол контакта будет уменьшаться, но ее трехфазная граница останется неподвижной, пока она внезапно не выдвинется внутрь. Угол контакта, который капля имела непосредственно перед выдвижением внутрь, называется отступающим углом контакта. Разница между наступающими и отступающими контактными углами называется гистерезисом контактного угла и может использоваться для характеристики неоднородности поверхности, шероховатости и подвижности. [16] Поверхности, которые не являются однородными, будут иметь домены, которые препятствуют движению контактной линии. Угол скольжения является еще одной динамической мерой гидрофобности и измеряется путем нанесения капли на поверхность и наклона поверхности до тех пор, пока капля не начнет скользить. В общем, жидкости в состоянии Кэсси-Бакстера демонстрируют более низкие углы скольжения и гистерезис контактного угла, чем жидкости в состоянии Венцеля. [ необходима цитата ]
В 1964 году Деттре и Джонсон обнаружили, что явление эффекта супергидрофобного лотоса связано с грубыми гидрофобными поверхностями, и разработали теоретическую модель, основанную на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или теломером ТФЭ. Самоочищающее свойство супергидрофобных микро- наноструктурированных поверхностей было описано в 1977 году. [17] Были разработаны перфторалкильные, перфторполиэфирные и сформированные в РЧ плазме супергидрофобные материалы, которые использовались для электросмачивания и коммерциализировались для биомедицинских приложений в период с 1986 по 1995 год. [18] [19] [20] [21] С середины 1990-х годов появились другие технологии и приложения. [22] В 2002 году была раскрыта прочная супергидрофобная иерархическая композиция, наносимая в один или два этапа, включающая наночастицы размером ≤ 100 нанометров, накладывающиеся на поверхность с микрометровыми элементами или частицами размером ≤ 100 микрометров. Было обнаружено, что более крупные частицы защищают более мелкие частицы от механического истирания. [23]
В недавних исследованиях сообщалось о супергидрофобности, которая достигается за счет затвердевания димера алкилкетена (AKD) в наноструктурированную фрактальную поверхность. [24] С тех пор во многих работах были представлены методы изготовления супергидрофобных поверхностей, включая осаждение частиц, [25] золь-гель методы, [26] плазменную обработку, [27] осаждение из паровой фазы, [25] и методы литья. [28] Текущие возможности для исследовательского воздействия в основном лежат в фундаментальных исследованиях и практическом производстве. [29] Недавно возникли дебаты относительно применимости моделей Венцеля и Кэсси–Бакстера. В эксперименте, призванном оспорить перспективу поверхностной энергии модели Венцеля и Кэсси–Бакстера и способствовать перспективе контактной линии, капли воды помещались на гладкое гидрофобное пятно в шероховатом гидрофобном поле, шероховатое гидрофобное пятно в гладком гидрофобном поле и гидрофильное пятно в гидрофобном поле. [30] Эксперименты показали, что химия поверхности и геометрия на линии контакта влияют на угол контакта и гистерезис угла контакта , но площадь поверхности внутри линии контакта не оказывает никакого эффекта. Также был предложен аргумент, что повышенная зубчатость на линии контакта увеличивает подвижность капель. [31]
Многие гидрофобные материалы, встречающиеся в природе, основаны на законе Кэсси и являются двухфазными на субмикрометровом уровне с одним компонентом воздуха. Эффект лотоса основан на этом принципе. Вдохновленные им , были подготовлены многие функциональные супергидрофобные поверхности. [32]
Примером бионического или биомиметического супергидрофобного материала в нанотехнологии является пленка наноштифтов . [ необходима ссылка ]
В одном исследовании представлена поверхность пентоксида ванадия , которая обратимо переключается между супергидрофобностью и супергидрофильностью под воздействием УФ-излучения. [33] Согласно исследованию, любая поверхность может быть модифицирована для достижения этого эффекта путем нанесения суспензии розоподобных частиц V 2 O 5 , например, с помощью струйного принтера . И снова гидрофобность вызвана межслойными воздушными карманами (разделенными расстоянием 2,1 нм ). Также объясняется УФ-эффект. УФ-свет создает пары электрон-дырка , причем дырки реагируют с решеточным кислородом, создавая поверхностные кислородные вакансии, в то время как электроны восстанавливают V 5+ до V 3+ . Кислородные вакансии заполняются водой, и именно эта поглощающая воду поверхность ванадия делает ее гидрофильной. При длительном хранении в темноте вода заменяется кислородом, и гидрофильность снова теряется. [ необходима цитата ]
Значительное большинство гидрофобных поверхностей имеют гидрофобные свойства, приданные структурной или химической модификацией поверхности объемного материала посредством покрытий или поверхностной обработки. То есть, присутствие молекулярных видов (обычно органических) или структурных особенностей приводит к высоким углам контакта воды. В последние годы было показано, что оксиды редкоземельных элементов обладают собственной гидрофобностью. [34] Собственная гидрофобность оксидов редкоземельных элементов зависит от ориентации поверхности и уровней кислородных вакансий и, естественно, более устойчива, чем покрытия или поверхностная обработка, имея потенциальные применения в конденсаторах и катализаторах, которые могут работать при высоких температурах или в агрессивных средах. [35]
Гидрофобный бетон производится с середины 20 века. [ необходима цитата ]
Недавние активные исследования супергидрофобных материалов могут в конечном итоге привести к более широкому промышленному применению. [36]
Сообщалось о простой процедуре покрытия хлопчатобумажной ткани частицами диоксида кремния [37] или диоксида титана [38] с помощью золь-гель технологии , которая защищает ткань от ультрафиолетового излучения и делает ее сверхгидрофобной.
Сообщается об эффективной процедуре, позволяющей сделать полиэтилен супергидрофобным и, таким образом, самоочищающимся. [39] 99% грязи на такой поверхности легко смывается.
Узорчатые супергидрофобные поверхности также перспективны для микрофлюидных устройств типа «лаборатория на чипе» и могут кардинально улучшить биоанализ на основе поверхности. [40]
В фармацевтике гидрофобность фармацевтических смесей влияет на важные качественные характеристики конечных продуктов, такие как растворимость и твердость препарата . [41] Разработаны методы измерения гидрофобности фармацевтических материалов. [42] [43]
Разработка гидрофобных пассивных дневных радиационных охлаждающих поверхностей (PDRC), эффективность которых в отражении солнечного света и тепловом излучении основана на их чистоте, улучшила «самоочищение» этих поверхностей. Масштабируемые и устойчивые гидрофобные PDRC, которые избегают ЛОС , были дополнительно разработаны. [44]