Супергидрофобность. Эффект Лотоса. Практические применения

10. Супергидрофобность. Эффект Лотоса. Практические применения.

Супергидрофобными называют материалы, демонстрирующие так называемый ”эффект лотоса”. Этот эффект проявляется в том, что при контакте с таким материалом капля воды принимает форму, близкую к шарообразной, и при небольшом наклоне материала по отношению к горизонту капля с поверхности скатывается, захватывая при движении все загрязнения поверхности.

Говоря более строгим языком, супергидрофобными называют материалы, характеризуемые одновременно тремя свойствами:

- капля воды образует на них угол смачивания более 150°,

- угол скатывания, т.е. угол наклона поверхности к горизонту, при котором капля c диаметром 2-3 мм начинает скатываться, не превышает десятка градусов;

- имеет место эффект самоочистки поверхности при контакте с каплями воды.

Химические основы гидрофобности

Согласно термодинамике, материя стремится к состоянию с минимальной энергией, а связывание понижает химическую энергию. Молекулы воды поляризованы и способны образовывать между собой водородные связи, в то же время, гидрофобные молекулы не поляризованы и не способны образовывать водородные связи, поэтому вода отталкивает такие молекулы, предпочитая образовывать связи внутри себя. Гидрофобными являются молекулы алканов, масел, жиров и других подобных материалов. Гидрофобные материалы используются для очистки воды от нефти, удаления разливов нефти и химических процессов разделения полярных и неполярных веществ.

Эффект лотоса или супергидрофобность поверхности в природе явление не уникальное и свойственно многим растениям или насекомым. Лист лотоса является лишь наиболее изученным и широко упоминаемым объектом. Хотя эффект лотоса в природе наблюдался давно, систематическое исследование этого явления учеными началось чуть более 10 лет назад, а получать самые разные материалы, обладающие супергидрофобностью, стало возможным лишь в связи с получением наноматериалов и развитием нано- и микротехнологий. Чем лучше человечество исследовало супергидрофобные материалы, тем очевиднее становились преимущества использования таких материалов в быту и в технологии. Так, одной из наиболее востребованных областей использования супергидрофобных материалов является строительство в больших городах с высоким уровнем загрязненности воздуха. Супергидрофобизующая обработка зданий из стекла и бетона позволяет существенно снизить остроту проблемы очистки стекол и фасадов от загрязнений. Это, в свою очередь, дает колоссальный экономический эффект, связанный с регламентными работами по мытью стекол, с высотными работами, с экономией воды и моющих смесей. По существу, после супергидрофобизующей обработки, работа по обслуживанию фасадов зданий частично ложится на окружающую природу и выполняется при естественном выпадении осадков. Кроме того, супергидрофобность строительных поверхностей защищает их от разрушения в условиях высокой влажности при циклических перепадах температур. Такое разрушение для традиционных материалов связано, в первую очередь, с воздействием напряжений, возникающих при попадании воды в дефекты и трещины поверхностного слоя материала и ее последующем замораживании. При использовании супергидрофобных покрытий эффект водоотталкивания позволяет минимизировать разрушающие воздействия. Другим востребованным в быту направлением использования эффекта лотоса является супергидрофобизующая обработка различных тканей и одежды, которая может проводиться как на исходном материале, так и на готовом изделии. Подобная обработка позволяет без изменения цвета, плотности, фактуры изделия придавать одежде и тканям новые свойства, такие как непромокаемость даже под сильным дождем, незагрязняемость при попадании на ткань остатков пищи, соков, чая, кофе, вина. Последнее, очевидно, в ближайшем будущем приведет к широкому использованию супергидрофобных покрытий для спортивной обуви и рабочей одежды.

Еще одним важным направлением использования супергидрофобных материалов является создание супергидрофобных фильтров для очистки топлив и масел от примесей воды. Применение таких фильтров позволяет разделять водно-масляные эмульсии с высокой эффективностью в широком диапазоне составов дисперсионных систем и размеров частиц диспергированной фазы. Однако, придание супергидрофобных свойств поверхности материалов необходимо не только для бытовых нужд. Чрезвычайно высок потенциал использования таких материалов в промышленности и авиации. В настоящее время целый ряд мировых научных центров и научно-исследовательские отделы ряда крупнейших фирм-производителей активно ведут работы в области создания супергидрофобных материалов и покрытий различного назначения. Институт физической химии и электрохимии РАН является одним из ведущих в России и в мире в области создания таких покрытий. В последние годы в ИФХЭ РАН разрабатываются супергидрофобные покрытия для энергетики, авиационной техники, текстильной промышленности, антикоррозионной защиты металлоконструкций. Актуальность таких работ, например, для электроэнергетики связана с необходимостью создания энергосберегающих технологий при транспортировке электроэнергии. Хорошо известно, что значительные потери в линиях электропередач связаны с повреждением и изменением функциональных свойств элементов ЛЭП, возникающих в результате взаимодействия этих элементов с атмосферной влагой. К основным проблемам, решение которых позволит сделать электроэнергию дешевле для каждого потребителя, относятся: коррозия металлических опор, арматуры и растрескивание железобетонных опор ЛЭП; возрастание токов утечки по поверхности изоляторов; повреждения и нарушение работы опор, проводов, изоляторов и грозозащитных тросов вследствие сверхрасчетных отложений гололеда или снега. Так, из средств массовой информации известно, что каждые три-четыре года на значительной территории России обледенение проводов вызывает их обрыв, и света и тепла иногда на многие часы лишаются десятки тысяч человек.

До настоящего времени каждая из перечисленных проблем представляла собой самостоятельную задачу и решалась независимо. Так, для снижения поверхностных токов утечки увеличивают длину изоляторов, периодически промывают их поверхности на действующих ЛЭП, уменьшают регламентные сроки службы. Для защиты от коррозии опор ЛЭП применяют специальные дорогостоящие методы обработки поверхности, например оцинковку. Защита от обледенения до настоящего времени обеспечивалась малоэффективными механическими и электротермическими методами, которые не позволяют предотвратить обледенение, а лишь ликвидируют его последствия. В разработках ИФХЭ РАН было показано, что возможен единый подход к решению указанных выше проблем, возникающих при транспортировке электроэнергии – это применение супергидрофобных покрытий на поверхности различных конструкционных материалов ЛЭП. Выполненные в Институте теоретические и экспериментальные исследования позволили детально сформулировать научные основы получения таких покрытий. Кроме того, в последние годы в ИФХЭ РАН созданы покрытия для снижения токов утечки по поверхности силиконовых изоляторов, противокоррозионные покрытия для опор линий электропередач и конструкционных элементов на основе цветных и черных металлов, а также антиобледенительные покрытия для линий электропередач. Результаты уже проведенных испытаний полученных покрытий позволяют говорить о новом физико-химическом подходе, использующем наноматериалы и нанотехнологии в борьбе за энергосбережение при транспортировке электроэнергии и сформулировать стратегию снижения электрических и экономических потерь в электроэнергетике.

Еще одним важным направлением использования супергидрофобных покрытий является борьба с коррозией, с которой связаны ежегодные потери в миллиарды долларов. В ИФХЭ РАН в сотрудничестве с рядом других академических институтов разработана серия супергидрофобных покрытий для поверхности ряда черных и цветных металлов. Такие покрытия обеспечивают защиту как от атмосферной коррозии даже в очень жестких условиях эксплуатации изделий, так и от электролитной коррозии. Применение супергидрофобных покрытий снижает скорость коррозионных процессов при жестких условиях эксплуатации по многим причинам. Однако, в первую очередь, это происходит за счет того, что устанавливающийся при контакте с осадками или средой электролита гетерогенный режим смачивания способствует снижению площади реального контакта между защищаемой поверхностью и агрессивной средой.

Высока перспективность применения супергидрофобных покрытий, как противообледенительных в авиации. Например, для самолетов и вертолетов накопление льда приводит к изменению формы летательного аппарата, обтекающих его воздушных потоков и соответствующих аэродинамических сил и моментов. Основные негативные последствия обледенения связаны с увеличением аэродинамического сопротивления, уменьшением угла сваливания и подъемной силы. Кроме того, обледенение измерительной и контрольной аппаратуры приводит к нарушению ее нормальной работы и управляемости летательного аппарата. В последние десятилетия значительные усилия инженеров и исследователей были направлены как на более детальное понимание физико-химических явлений, определяющих процессы обледенения, так и на создание более эффективных систем для предотвращения обледенения и/или борьбы с его последствиями. Однако, несмотря на эти непрекращающиеся усилия, нарушения работы оборудования и авиакатастрофы, вызванные обледенением, продолжают происходить на всех классах воздушных судов. Ситуация по-прежнему настолько остра, что, например, Национальный совет США по безопасности на транспорте выделил проблему обледенения среди наиболее востребованных задач для улучшения безопасности в авиации.

В последние годы в ИФХЭ РАН успешно ведутся работы по созданию супергидрофобных противообледенительных покрытий для снижения образования и накопления льда на поверхностях конструкционных элементов и аппаратуры летательной техники. Результаты уже проведенных испытаний полученных покрытий показали, что применение таких методов в основном позволяет решить две задачи. Это, во-первых, предотвращение/замедление перехода переохлажденных капель воды, попадающих на конструкционные элементы, в твердое состояние с последующим их удалением с поверхности под действием воздушных потоков. Во-вторых, это снижение адгезии уже образовавшихся ледяных отложений к поверхности конструкционных элементов и аппаратуры, что способствует удалению льда под действием аэродинамических сил.