Das superhydrophobe Material ist ein Material, das Wasser abst??t, und die Wassertr?pfchen werden nicht gleitf?hig auf seiner Oberfl?che verteilt, um die Kugelform beizubehalten, wodurch der Effekt der rollenden Selbstreinigung erzielt wird. Die Benetzbarkeit ist eine der wichtigen Eigenschaften der Oberfl?che fester Materialien. Zu den Schlüsselfaktoren, die die Oberfl?chenbenetzungseigenschaften des Materials bestimmen, geh?ren die chemische Zusammensetzung der Materialoberfl?che und die mikroskopische Geometrie der Oberfl?che. Daher haben Wissenschaftler eine Oberfl?che mit einem statischen Wasserkontaktwinkel von mehr als 150° und einem Rollwinkel von weniger als 10°, die als superhydrophobe Oberfl?che bezeichnet wird. Superhydrophobe Materialien haben im Allgemeinen eine Mikro-Nano-Verbundstruktur und eine Chemikalie mit niedriger Oberfl?chenenergie, was auch eine Voraussetzung dafür ist, ein superhydrophobes Material zu werden. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie Selbstreinigung, ?l-Wasser-Trennung, Korrosionsbest?ndigkeit, Vereisungsschutz und Antibeschlag wurden superhydrophobe Oberfl?chen in den letzten Jahren von Materialwissenschaftlern favorisiert, was eine gro?e Anzahl von Wissenschaftlern dazu veranlasste, in die zu investieren Erforschung superhydrophober Materialien.

Tats?chlich fanden die Menschen vor mehr als 2.000 Jahren heraus, dass einige Pflanzen im Schlamm wachsen, aber seine Bl?tter fast immer sauber sind, ein typisches Beispiel ist das Lotusblatt. Lotusblumen wachsen normalerweise in Sümpfen und seichten Gew?ssern, aber sie haben die Eigenschaften ?Schlamm und nicht F?rben“, was die Lotusblume seit Jahrtausenden zu einem Symbol der Reinheit macht. Staub und Schmutz auf dem Lotusblatt k?nnen leicht von Tautropfen und Regen weggetragen werden, wodurch die Oberfl?che sauber bleibt. Wissenschaftler nennen dieses Unterreinigungsph?nomen den ?Lotuseffekt“.

Der Mechanismus des immer sauber gehaltenen Lotusblattes war jedoch bis zur Entwicklung der Rasterelektronenmikroskopie (REM) Mitte der 1960er Jahre nicht bekannt, und die Menschen lüfteten nach und nach das Geheimnis des Lotusblattes. 1977 untersuchten Barthlott und Neinhuis von der Universit?t Bern, Deutschland, die Oberfl?chenstruktur des Lotusblattes durch Rasterelektronenmikroskopie (wie in Abbildung 1 gezeigt). Es zeigt sich, dass die mikronische Mastoidstruktur auf der Oberfl?che des Lotusblattes und die Wachssubstanz der Schlüssel zu seiner Selbstreinigungsfunktion sind. Sie glauben, dass der resultierende ?Blatteffekt“ durch eine Kombination aus einem Material mit niedriger Oberfl?chenenergie wie einer wachsartigen Substanz und einer mikrometerrauen Struktur des milchigen Prozesses verursacht wird.

Studien haben gezeigt, dass eine gro?e Anzahl mikrometergro?er wachsartiger Mikroemulsionsstrukturen auf der Oberfl?che des Lotusblatts verteilt sind (Abb. 1 (a)); eine gro?e Anzahl von feinverzweigten Strukturen im Nanoma?stab sind auf jedem Mastoid verteilt (Abb. 1(b)); Darüber hinaus befinden sich auf der Epidermis des Lotusblatts viele wachsartige dreidimensionale dünne R?hren (Abb. 1(c)). Eine solche Mikro-Nano-Verbundstruktur führt zu einer geringen Kontaktfl?che zwischen den Wassertropfen und der Oberfl?che des Lotusblatts. Daher wirken die Oberfl?chenwachskomponente des Lotusblatts und die Mikro-/Nano-Verbundstruktur zusammen, um dem Lotusblatt eine einzigartige Superhydrophobie und eine geringe Haftung zu verleihen. Der Kontaktwinkel und der Rollwinkel des Wassers auf dem Lotusblatt betragen etwa 160° bzw. 2°. Die Wassertr?pfchen sind auf der Oberfl?che des Lotusblatts fast kugelf?rmig und k?nnen frei in alle Richtungen rollen, w?hrend sie den Staub auf der Oberfl?che des Lotusblatts entfernen, was einen guten Selbstreinigungseffekt zeigt (Abb. 1(d)). Der Lotuseffekt, d. h. die selbstreinigende Oberfl?che, zeigt eine starke Anti-Verschmutzungsf?higkeit, wenn der Kontaktwinkel mit Wasser gr??er als 150° ist, d. h. Oberfl?chenverunreinigungen wie Staub k?nnen von den fallenden Wassertr?pfchen weggetragen werden, ohne keine Spuren hinterlassen.

Abbildung 1 REM-Aufnahme der Lotusblattoberfl?che

Neben Lotusbl?ttern gibt es viele Pflanzen und Tiere auf der Welt, die superhydrophob sind. Die Wassertropfen auf den Reisbl?ttern sind individueller als die Wassertropfen auf der Oberfl?che des Lotusblattes. Im Gegensatz zu den Wassertropfen auf der Oberfl?che des Lotusblattes, die in jede Richtung rollen k?nnen, k?nnen die Wassertropfen auf den Bl?ttern des Reises leicht in Richtung des Blattwachstums rollen, w?hrend es in vertikaler Richtung schwieriger ist, zu rollen . Dies liegt daran, dass die Reisbl?tter eine linienorientierte Anordnung von Vorsprüngen und eine eindimensionale Rillenstruktur aufweisen (Abb. 2(a)). In horizontaler Richtung zum Wachstum der Schaufel betr?gt der Rollwinkel des Tropfens 3° – 5°, und in vertikaler Richtung betr?gt der Rollwinkel 9° – 15°. Die lineare Ausrichtung der Mastoidstruktur auf der Oberfl?che des Reisblattes bietet den Tr?pfchen unterschiedliche Energiebarrieren, die in beide Richtungen eindringen. ?hnlich wie bei den Flügeln eines Schmetterlings rollen die Wassertropfen beim Auff?chern der Schmetterlingsflügel entlang der Achse der Achse, sodass die Tropfen den K?rper des Schmetterlings nicht benetzen. Es stellt sich heraus, dass die Schmetterlingsflügel von einer gro?en Anzahl von Mikro-Nano-Schuppen bedeckt sind, die entlang der Achse der Achse ausgerichtet sind (Abb. 2(b)). Diese stark gerichtete Mikro-Nano-Struktur beeinflusst effektiv das Benetzungsverhalten von Wassertropfen, sodass Wassertropfen leicht in radialer Richtung wegrollen k?nnen, w?hrend sie in der entgegengesetzten Richtung eingebettet werden. Zwei verschiedene Zust?nde k?nnen eingestellt werden, indem die Haltung des Flügelschlags oder die Richtung der Luft, die durch die Oberfl?che der Flügel str?mt, gesteuert wird. Diese anisotrope Haftung erm?glicht eine gerichtete Reinigung der Schmetterlingsflügel in einer feuchten Umgebung, was die Stabilit?t w?hrend des Fluges gew?hrleistet und Staubansammlungen vermeidet.

Im Gegensatz zu kleinen Wassertropfen auf der Oberfl?che des Lotusblattes, die sich leicht rollen lassen, neigen die kleinen Wassertropfen auf den Rosenbl?ttern dazu, an der Oberfl?che zu haften. Durch mikroskopische Untersuchung von Rosenbl?ttern fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Oberfl?che von Rosenbl?ttern aus mikrometergro?en Mastoiden besteht, w?hrend an der Spitze der Mastoide viele nanoskalige Faltstrukturen vorhanden sind, und diese Nanofaltstruktur ist das Ergebnis von hoher Haftung von Rosenbl?ttern. Der Schlüsselfaktor (Abbildung 2 (c)). In der nanogefalteten Struktur kann Gas vorhanden sein, w?hrend Wasser leicht zwischen die Mikrobrustdrüsen eindringen kann. Das gleiche wie die Rosenbl?tter ist die Sohle des Geckos. Die Sohle des Geckos ist superhydrophob und selbstreinigend, aber was Wissenschaftler begeistert, ist, dass die Sohle des Geckos eine ultra-haftende F?higkeit hat, sich auf einer glatten Oberfl?che frei zu bewegen. Dies ist auf die gut ausgerichteten mikronisierten Borsten auf der Oberfl?che der Sohle des Geckos zurückzuführen, die aus Hunderten kleinerer Enden im Nanoma?stab bestehen (Abb. 2(d)). Die durch den Kontakt zwischen den Nanospitzen der Geckoborsten und der festen Oberfl?che erzeugte Van-der-Waals-Kraft unterstützt den Gecko beim Kriechen in verschiedenen Winkeln.

Die Facettenaugen der Moskitos sind mit engen sechseckigen kleinen Augen angeordnet, und an jedem kleinen Auge ist ein enger sechseckiger Vorsprung angeordnet (Fig. 2(e)). Diese einzigartige Verbundstruktur macht die Facettenaugen von Moskitos extrem hydrophob. Wenn die Mücke einer nebligen Umgebung ausgesetzt wird, kann festgestellt werden, dass sehr kleine Tr?pfchen nicht auf der Oberfl?che des Mückenauges gebildet werden und eine gro?e Menge an Tr?pfchen auf dem Flaum um das Mückenauge herum kondensiert. Diese extrem hydrophobe Natur verhindert, dass die Tr?pfchen an der Oberfl?che der Augen der Mücke haften und agglomerieren, wodurch die Mücke eine klare Sicht hat. Diese Entdeckung liefert eine inspirierende Forschungsidee für die Entwicklung von trockenen Antibeschlag-Oberfl?chenmaterialien.

Der Otter kann leicht laufen oder sogar auf das Wasser springen. Das Geheimnis ist die starke Superhydrophobie seiner behaarten Beine. Wenn der Otter auf der Wasseroberfl?che steht, bilden seine Beine einen Wirbel mit einer Tiefe von etwa 4 mm, anstatt die Wasseroberfl?che zu durchdringen. Jedes Bein hat eine starke und dauerhafte superhydrophobe Kraft, die etwa das 15-fache seines Gewichts tragen kann. Gleichzeitig wurde auch die spezielle Mikrostruktur des Egelbeins gefunden, und eine gro?e Anzahl geordneter streifenartiger Mikrostrukturen bedeckte die Beine des Blutegels, wobei diese Mikrostrukturen in einem Winkel von etwa 20° orientiert waren, und Jede Mikrostreifenstruktur besteht aus einer spiralf?rmigen Nanorille (Abb. 2 (f)). Diese einzigartige geschichtete Mikro-Nano-Multiskalenstruktur f?ngt effektiv Gas zwischen dem Blutegelbein und der Wasseroberfl?che ein, um einen starken Gasfilm zu bilden. Die robuste, superhydrophobe F?higkeit der Otterbeine inspiriert das Design neuer Wasserger?te.

Abb. 2 Unterschiedliche Mikrostruktur verschiedener Tiere

Natürliche Offenbarung: Vom ?Lotuseffekt“ selbstreinigender Oberfl?chen zum Aufbau superhydrophober Oberfl?chen

Menschliches Gesetz, Erdgesetz, Himmel und Gesetz, Tao-Gesetz ist natürlich. Durch das Studium der Bl?tter von Pflanzen mit Superhydrophobie in der Natur kann man erkennen, dass die Herstellung von superhydrophoben Oberfl?chen zwei Bedingungen erfordert: Eine ist, dass die Oberfl?che des Materials eine sehr niedrige Oberfl?chenenergie hat; das andere ist, dass die Oberfl?che des festen Materials eine gewisse Rauhigkeit hat und einen Mikrometer hat. Und die duale Struktur von Nano.

Ausgehend vom statischen Kontaktwinkel der Festk?rperoberfl?che liegt der Schlüssel zur Bestimmung der Lyophobie der Festk?rperoberfl?che in der chemischen Zusammensetzung der Materialoberfl?che, und die Rauheit der Oberfl?che verst?rkt diesen Effekt nur noch. Daher ist es beim Aufbau einer superhydrophoben festen Oberfl?che im Allgemeinen so, eine raue Oberfl?che auf einer Oberfl?che mit niedriger Oberfl?chenenergie zu konstruieren oder eine Substanz mit niedriger Oberfl?chenenergie auf einer rauen Oberfl?che zu modifizieren. Zuerst begann man, die Herstellung von Materialien mit niedriger Oberfl?chenenergie zu untersuchen, und fand heraus, dass die festen Materialien mit der niedrigsten Oberfl?chenenergie Siloxane und fluorhaltige Materialien sind. Darunter sind fluorhaltige Materialien die hervorragendsten, und ihre Oberfl?chenenergie ist etwa 10 mN/m niedriger als die von Siloxan, und Fluor hat den kleinsten Atomradius aller Elemente au?er Wasserstoff. Es hat eine starke Elektronegativit?t, eine hohe Fluorkohlenstoff-Bindungsenergie, eine niedrige Koh?sionsenergie und eine hohe thermische Stabilit?t und chemische Stabilit?t. Es hat die Eigenschaften Hitzebest?ndigkeit, Wetterbest?ndigkeit, Chemikalienbest?ndigkeit und niedrigen Brechungsindex. Wenn die Oberfl?che des Materials – CF3-Gruppen in einer dicht gepackten Anordnung von Sechsecken gestapelt sind, hat die feste Oberfl?che die niedrigste Oberfl?chenspannung von 6,7 mJ/m 2 . Daher sind die meisten derzeit hergestellten Materialien mit niedriger Oberfl?chenenergie haupts?chlich fluorhaltige Materialien. Darüber hinaus hat man begonnen, verschiedene Verfahren zur Steuerung der Oberfl?chenstruktur auszuprobieren, um superhydrophobe Beschichtungen herzustellen. Gegenw?rtig werden üblicherweise Schicht-für-Schicht-Selbstanordnungsverfahren, physikalische oder chemische Dampfabscheidungsverfahren, ?tzverfahren, Schablonenverfahren, elektrostatische Sprühverfahren und Sol-Gel-Verfahren verwendet.

Chancen und Herausforderungen für superhydrophobe Materialien: Haltbarkeit und Transparenz

Obwohl superhydrophobe Materialien im wirklichen Leben breite Anwendungsaussichten haben, gibt es noch viele Schwierigkeiten, die breite Anwendung der Superhydrophobie in der Praxis zu realisieren, und die gr??te Herausforderung ist Haltbarkeit und Transparenz. Die hydrophobe Beschichtung hat eine schlechte Haftung auf dem Substrat, und die raue Struktur ist au?erdem sehr brüchig. Wenn die Oberfl?che mechanischen Einwirkungen wie St??en und Reibung ausgesetzt wird, wird sie leicht besch?digt und verliert superhydrophobe Eigenschaften. Daher ist die Entwicklung einer superhydrophoben Beschichtung mit stabiler Reibung oder einer superhydrophoben Oberfl?che mit selbstreparierender Funktion zu einem dringenden Problem auf dem Forschungsgebiet der superhydrophoben Materialien geworden. Im Allgemeinen wird die Oberfl?che, um superhydrophob zu werden, eine gewisse Rauheit aufweisen, und je gr??er die Rauheit, desto gr??er der Brechungsindex und desto geringer die Transparenz. Dies schr?nkt die Anwendung von superhydrophoben Materialien auf optische Vorrichtungen stark ein.

Von der Natur bis zur Bionik, superhydrophobe Materialien gingen vom Lotusblatt aus und wurden bis heute entwickelt. Wissenschaftler haben nie aufgeh?rt, die Natur zu erforschen. Ich glaube, wenn wir unsere Erforschung der Natur vertiefen, wird sich unser Verst?ndnis der Natur weiter vertiefen, und das Gebiet der Superhydrophobie wird sicherlich gr??ere Fortschritte machen.