В химии гидрофобность — это физическое свойство молекулы , которая, по-видимому, отталкивается от массы воды (так называемая гидрофобность ). [1] Напротив, гидрофилы притягиваются к воде.
Гидрофобные молекулы, как правило, неполярны и поэтому предпочитают другие нейтральные молекулы и неполярные растворители . Поскольку молекулы воды полярны, гидрофобы плохо растворяются среди них. Гидрофобные молекулы в воде часто группируются вместе, образуя мицеллы . Вода на гидрофобных поверхностях будет иметь высокий угол смачивания .
Примеры гидрофобных молекул включают алканы , масла , жиры и жирные вещества в целом. Гидрофобные материалы используются для удаления нефти из воды, ликвидации разливов нефти и процессов химического разделения для удаления неполярных веществ из полярных соединений. [2]
Гидрофобный часто используется как синоним липофильного , «жиролюбивого». Однако эти два термина не являются синонимами. Хотя гидрофобные вещества обычно липофильны, есть исключения, такие как силиконы и фторуглероды . [ нужна цитата ]
Термин «гидрофоб» происходит от древнегреческого ὑδρόφοβος ( гидрофобос ), «боящийся воды», образованного от древнегреческого ὕδωρ (húdōr) «вода» и древнегреческого φόβος (фобос) «страх». [3]
Гидрофобное взаимодействие представляет собой в основном энтропийный эффект, возникающий из-за разрушения высокодинамичных водородных связей между молекулами жидкой воды неполярным растворенным веществом, в результате чего вода образует клатратоподобную структуру вокруг неполярных молекул. Образующаяся структура является более упорядоченной, чем молекулы свободной воды, поскольку молекулы воды организуются так, чтобы взаимодействовать друг с другом как можно больше, и, таким образом, приводит к более высокому энтропийному состоянию, которое заставляет неполярные молекулы слипаться вместе, уменьшая площадь открытой поверхности . обводнять и уменьшать энтропию системы. [4] [5] Таким образом, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная и гидрофобная) изменятся так, что их соответствующая межфазная поверхность будет минимальной. Этот эффект можно визуализировать в явлении, называемом фазовым разделением. [ нужна цитата ]
Супергидрофобные поверхности, такие как листья лотоса, чрезвычайно трудно смачивать. Углы контакта капли воды превышают 150°. [6] Это называется эффектом лотоса и в первую очередь является физическим свойством, связанным с межфазным натяжением , а не химическим свойством. [ нужна цитата ]
В 1805 году Томас Янг определил угол контакта θ , анализируя силы, действующие на каплю жидкости, покоящуюся на твердой поверхности, окруженной газом. [7]
где
θ можно измерить с помощью гониометра угла контакта .
Венцель определил, что когда жидкость находится в тесном контакте с микроструктурированной поверхностью, θ изменится на θ W*.
где r – отношение фактической площади к проектируемой. [8] Уравнение Венцеля показывает, что микроструктурирование поверхности усиливает ее естественные свойства. Гидрофобная поверхность (та, у которой первоначальный угол смачивания превышает 90°) становится более гидрофобной при микроструктурировании – ее новый угол смачивания становится больше исходного. Однако гидрофильная поверхность (та, у которой 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 подвешена на вершинах микроструктур, θ изменится на θ CB* :
где φ — доля площади твердого тела, соприкасающаяся с жидкостью. [10] Жидкость в состоянии Кэсси–Бакстера более подвижна, чем в состоянии Венцеля. [ нужна цитата ]
Мы можем предсказать, должно ли существовать состояние Венцеля или Кэсси-Бакстера, рассчитав новый контактный угол с помощью обоих уравнений. Если исходить из аргумента минимизации свободной энергии, то соотношение, предсказывающее меньший новый угол контакта, является состоянием, которое наиболее вероятно существует. Выражаясь математическими терминами, для существования состояния Кэсси-Бакстера должно выполняться следующее неравенство. [11]
Недавний альтернативный критерий состояния Кэсси-Бакстера утверждает, что состояние Кэсси-Бакстера существует, когда соблюдаются следующие два критерия: 1) силы линии контакта преодолевают объемные силы веса неподдерживаемой капли и 2) микроструктуры достаточно высоки, чтобы предотвратить попадание жидкости который предотвращает соприкосновение микроструктур 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 улавливать воздух под каплями жидкости на шероховатых поверхностях, что может определить, следует ли использовать модель Венцеля или модель Кэсси-Бакстер для определенного сочетания шероховатости поверхности и энергии. [ нужна цитата ]
Угол контакта является мерой статической гидрофобности, а гистерезис угла контакта и угол скольжения являются динамическими показателями. Гистерезис угла смачивания — явление, характеризующее неоднородность поверхности. [14] Когда пипетка впрыскивает жидкость в твердое вещество, жидкость образует некоторый угол контакта. По мере того, как пипетка вводит больше жидкости, капля будет увеличиваться в объеме, угол контакта увеличится, но ее трехфазная граница останется неподвижной до тех пор, пока она внезапно не выдвинется наружу. Угол контакта, который капля имела непосредственно перед продвижением наружу, называется углом контакта. Угол отступления теперь измеряется путем откачивания жидкости обратно из капли. Капля уменьшится в объеме, угол смачивания уменьшится, но ее трехфазная граница останется неподвижной до тех пор, пока она внезапно не уйдет внутрь. Угол контакта, который капля имела непосредственно перед падением внутрь, называется углом контакта капли. Разница между наступающими и отступающими углами контакта называется гистерезисом угла контакта и может использоваться для характеристики неоднородности поверхности, шероховатости и подвижности. [15] Неоднородные поверхности будут иметь области, препятствующие движению линии контакта. 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 целом, жидкости в состоянии Кэсси-Бакстера демонстрируют меньшие углы скольжения и гистерезис угла смачивания , чем жидкости в состоянии Венцеля. [ нужна цитата ]
Деттре и Джонсон обнаружили в 1964 году, что феномен супергидрофобного эффекта лотоса связан с шероховатыми гидрофобными поверхностями, и разработали теоретическую модель, основанную на экспериментах со стеклянными шариками, покрытыми парафином или теломером ТФЭ. О свойстве самоочищения супергидрофобных микронаноструктурированных поверхностей было сообщено в 1977 году. [16] Перфторалкил, перфторполиэфир и супергидрофобные материалы, образующиеся в радиочастотной плазме, были разработаны, использованы для электросмачивания и коммерциализированы для биомедицинских применений 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, содержащая наночастицы размером ≤ 100 нанометров, покрывающие поверхность с элементами микронного размера или частицы размером ≤ 100 микрометров. Было замечено, что более крупные частицы защищают более мелкие частицы от механического истирания. [22]
В недавних исследованиях сообщалось о супергидрофобности, позволяющей димеру алкилкетена (АКД) затвердевать 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] плазменную обработку, [26] осаждение из паровой фазы, [24] и методы литья. [27] Текущие возможности для исследовательского воздействия заключаются в основном в фундаментальных исследованиях и практическом производстве. [28] Недавно возникли дебаты относительно применимости моделей Венцеля и Кэсси-Бакстера. В эксперименте, направленном на то, чтобы бросить вызов теории поверхностной энергии модели Венцеля и Кэсси-Бакстера и продвинуть перспективу линии контакта, капли воды были помещены на гладкое гидрофобное пятно в грубом гидрофобном поле, на грубое гидрофобное пятно в гладком гидрофобном поле. и гидрофильное пятно в гидрофобном поле. [29] Эксперименты показали, что химия поверхности и геометрия линии контакта влияют на угол контакта и гистерезис угла контакта , но площадь поверхности внутри линии контакта не оказывает никакого влияния. Также был предложен аргумент о том, что увеличение зубчатости линии контакта увеличивает подвижность капель. [30]
Многие гидрофобные материалы, встречающиеся в природе, основаны на законе Кэсси и являются двухфазными на субмикрометровом уровне с одним компонентом воздуха. На этом принципе основан эффект лотоса. Вдохновленные этим , было подготовлено множество функциональных супергидрофобных поверхностей. [31]
Примером бионического или биомиметического супергидрофобного материала в нанотехнологиях является наноконтактная пленка . [ нужна цитата ]
В одном исследовании представлена поверхность пентаоксида ванадия , которая обратимо переключается между супергидрофобностью и супергидрофильностью под воздействием УФ-излучения. [32] Согласно исследованию, любую поверхность можно модифицировать таким образом, нанеся суспензию розообразных частиц V 2 O 5 , например, с помощью струйного принтера . И снова гидрофобность вызывается межламинарными воздушными карманами (отделенными расстоянием 2,1 нм ). Также объясняется влияние ультрафиолета. УФ-свет создает электронно-дырочные пары , при этом дырки реагируют с кислородом решетки, создавая поверхностные кислородные вакансии, в то время как электроны восстанавливают V 5+ до V 3+ . Кислородные вакансии встречаются с водой, и именно поглощение воды поверхностью ванадия делает его гидрофильным. При длительном хранении в темноте вода заменяется кислородом, и гидрофильность снова теряется. [ нужна цитата ]
Значительному большинству гидрофобных поверхностей гидрофобные свойства придаются структурной или химической модификацией поверхности объемного материала посредством покрытия или поверхностной обработки. То есть наличие молекулярных частиц (обычно органических) или структурных особенностей приводит к высоким углам смачивания воды. В последние годы было показано, что оксиды редкоземельных элементов обладают внутренней гидрофобностью. [33] Собственная гидрофобность оксидов редкоземельных элементов зависит от ориентации поверхности и уровня кислородных вакансий и, естественно, более надежна, чем покрытия или обработки поверхности, и имеет потенциальное применение в конденсаторах и катализаторах, которые могут работать при высоких температурах или агрессивных средах. [34]
Гидрофобный бетон производят с середины 20 века. [ нужна цитата ]
Активные недавние исследования супергидрофобных материалов могут в конечном итоге привести к их более широкому промышленному применению. [ нужна цитата ]
Сообщалось о простом способе покрытия хлопчатобумажной ткани частицами диоксида кремния [35] или титана [36] золь-гель методом , который защищает ткань от УФ-излучения и делает ее супергидрофобной.
Сообщалось об эффективной процедуре придания полиэтилену супергидрофобности и, следовательно, самоочистки. [37] 99% грязи с такой поверхности легко смывается.
Узорчатые супергидрофобные поверхности также перспективны для микрофлюидных устройств «лаборатория на чипе» и могут значительно улучшить поверхностный биоанализ. [38]
В фармацевтике гидрофобность фармацевтических смесей влияет на важные показатели качества конечной продукции, такие как растворение лекарственного средства и твердость . [39] Были разработаны методы измерения гидрофобности фармацевтических материалов. [40] [41]
Разработка гидрофобных поверхностей с пассивным дневным радиационным охлаждением (PDRC), эффективность которых в отношении отражения солнечной энергии и теплового излучения зависит от их чистоты, улучшила «самоочищение» этих поверхностей. Масштабируемые и устойчивые гидрофобные PDRC, не содержащие ЛОС, получили дальнейшее развитие. [42]