Overflater kan også være redd for vann

Lotuseffekten er at av naturens mest kjente eksempler på nanoteknologi. Vannet som regner ned på blomsten slutter aldri å være en rund dråpe og ruller lett av kronbladene. Dette kalles superhydrofobisitet, hvor hydrofob kommer fra kjemien og betyr å sky vann. Men hvordan og hvorfor skjer egentlig lotuseffekten? Forklaringen ligger i energier, fordi naturen er lat og vil derfor bruke minst mulig energi. For å skjønne hvordan dette foregår, må man se på overflatestrukturen på mikro- og nanonivå.

Hydrofobe overflater ser ikke bare flotte ut, de kan også nyttes på mange områder. En mulighet er å bruke effekten til å lage selvrensende vinduer eller biler som avstøter skitt. Sprayer med nanopartikler som gir klær nanotrukturering og gjør dem vannavstøtende, finnes allerede på markedet. Ved å skape et luftlag mellom skroget til et skip og vannet rundt det, kan friksjonen til båten minskes og føre til redusert drivstoffforbruk. Det kan også gjøre det vanskeligere for marine organismer å feste seg til og gro på skroget.

Nærbilde av mikrostrukturene som gir lotuseffekten. Bilde hentet fra www.nanostart.de

Nærbilde av mikrostrukturene som gir lotuseffekten. Bilde hentet fra www.nanostart.de

For tiden gjøres det mye forskning på superhydrofobe overflater og deres mulighet til å hindre isdannelse. Isdannelse er et allerede et problem på vingene til fly, bladene på vindturbiner og alle steder der fuktig luft skal forbi. Etter hvert som vi jobber oss lenger nordover og inn i arktiske områder, for eksempel med oljeleting, vil isdannelse være et større og større problem. Dagens metode for avising av vingen bruker massevis av det som på folkemunne kalles frostvæske, også kjent som glykol, som er både kostbart og forurensende.

 

Når er en overflate hydrofob?

Det regner ute og du ser på at regnet falle mot bakken. Når dråpene treffer bakken ser de ut til å forsvinne, men dette vil ikke alltid være tilfellet. Er overflaten hydrofil vil regndråpen bre seg utover flaten og vil tilsynelatende forvinne, men er overflaten hydrofob vil dråpen forbli mer eller mindre rund.Overflatewetting2

Fra et energiperspektiv sier vi at når dråpen treffer overflaten vil det dannes nye grensesnitt. Det blir et grensesnitt mellom vannet og lufta og et grensesnitt mellom vannet og overflaten. Et viktig prinsipp i naturen er at energi alltid skal minimeres. Naturen er rett og slett litt lat. Ser man litt nøyere etter vil dette vise seg å være drivkraften bak mange fenomener vi opplever til daglig.

Er overflaten hydrofob er det slik at energien mellom vannet og overflaten er større enn energien mellom vannet og lufta. For å minimere energien, dannes det da et større grensesnitt mot luft. Er energien mot overflaten veldig stor, vil overflatearealet mot luft bli så stort at vannet blir kuleformet.

Hvis du ser på kontaktvinkelen mellom vannet og overflaten (som vi kaller ϴ), altså tangenten der vannoverflaten treffer materialoverflaten, vil vi si at med en vinkel som er større enn 90° er overflaten hydrofob. For å kallen overflaten superhydrofob, må kontaktvinkelen være større enn hele 150°.

Kontaktvinkel

Kontaktvinkel

 

Ekte overflater er ikke flate

Mange ting vil for det blotte øyet virke flate, men når man ser på disse overflatene i mikrometer- og nanometerskala er det lett å se at dette ikke stemmer. Alle overflater har en viss ruhet. Dette gjør at dråpen oppfører seg litt annerledes. De to basismodellene for dette er at dråpen trenger inn i og fyller ruheten eller at det bevares luftlommer i materialet og dråpen legger seg oppå de ru strukturene. Dette er idealiserte modeller og i virkeligheten er det egentlig en kombinasjon av disse som skjer. Hvis kontakvinkelen på den ideelle flate overflaten av materialet er slik at overflaten er hydrofob, vil dette forsterkes av overflatestruktureringen.

Når overflaten er ru, oppfører dråpen seg annerledes.

Når overflaten er ru, oppfører dråpen seg annerledes.

På et lotusblad og mange andre materialer, ser vi en utvikling av strukturer som bygger på hverandre og blir mindre og mindre. Nanostrukturer legger seg oppå mikrostrukturene, litt som grenene på et tre. Denne lag på lag-konstruksjonen, vil forsterke effekten av strukturene.

 

Dråpen vil ikke alltid rulle av

I en skråning vil hysterese være åpenbart. Tegn kontaktvinklene for å se det enda tydeligere.

I en skråning vil hysterese være åpenbart. Tegn kontaktvinklene for å se det enda tydeligere.

Gitt at du har funnet deg en hydrofob overflate, er det fremdeles ikke sikkert at dråpen din vil rulle av likevel. Dette bunner i hysterese. Hysterese er lett å observere på en skrå overflate. Hvis du har en vanndråpe på en overflate og setter overflaten litt på skrå vil kontakvinklene i øvre og nedre ende av dråpen forandre seg ulikt. Du kan se at dette skjer, fordi dråpen inntar en mer klassisk dråpeform nedover langs skråningen. Denne ulikheten mellom vinklene vil være hysteresen.

Generelt vil overflaten være hydrofob innenfor et avgrenset spekter av kontaktvinkler. Spennet på dette spekteret er hysteresen. I en ideell overlate vil det ikke være noe hysterese, derimot er ikke ekte overflater ensartet og hysterese oppstår. For at vannet skal renne av overflaten, må hysteresen være på mindre enn ca. 10°.

 

Det er altså de tre hovedkonseptene energi, ruhet og hysterese som danner basisen for hydrofobe og superhydrofobe overflater. Det kan utnyttes på mange måter, for å gi oss nye og nyttige materialer og overflatebelegg som kan gjøre livet enklere og miljøet renere.

Facebooktwittergoogle_plusredditpinterestlinkedinmailby feather
 


Sandra Tonstad

Om

Jeg trodde det var best med ting som hadde fasit. Nå vet jeg hvor mye mer spennende det er med det ukjente, og fasineres av alle oppdagelsene som gjøres der man minst venter dem. Jeg er spesielt glad i alt som har med kjemi og materialer å gjøre, og lærer masse mens jeg skriver om dette på smallPrint. Til daglig er jeg en ganske alminnelig masterstudent.


'Overflater kan også være redd for vann' har ingen kommentarer

Vær den første til å kommentere dette innlegget

Del dine tanker

Your email address will not be published.

© smallPrint A.S. All right reserved. Page based on Old Paper by ThunderThemes.net