El agua no puede tocar esta superficie pulida y empolvada (con video)

El agua no puede tocar esta superficie pulida y empolvada (con video)


06.08.2022

(Noticias de Nanowerk) ¿Quieres una superficie que no se moje? Toma un poco de papel de lija.

Investigadores de la Universidad de Rice han desarrollado una forma sencilla de hacer que las superficies sean superhidrofóbicas, es decir, altamente repelentes al agua, sin los productos químicos que se usan a menudo en tales procesos.

Su técnica involucra papel de lija, una variedad de polvos y algo de esfuerzo.

Un video muestra al ex alumno de Rice, Winston Wang, moliendo fibras de grafeno inducidas por láser en una losa de politetrafluoroetileno para hacerla superhidrofóbica, e imágenes aceleradas de una gota de agua que se congela en la losa tratada. El proceso superhidrofóbico desarrollado por Rice ralentiza la formación de hielo en las superficies tratadas aproximadamente 2,6 veces. (Cortesía del grupo turístico)

Los laboratorios de los profesores de arroz C. Fred Higgs III y James Tour, coautores correspondientes de un artículo en la revista American Chemical Society Interfaces y materiales aplicados de ACS («Robust Superhydrophobic Surfaces via the Sand-In Method») demostró que lijar una superficie aumenta su capacidad para arrojar agua sin mojarse. Pero moler en polvo al mismo tiempo le da superpoderes hidrofóbicos.

Mejor aún, sus superficies súper hidrofóbicas también tienen excelentes propiedades antihielo. Descubrieron que el agua tardó 2,6 veces más en congelarse en las superficies tratadas que en los materiales no tratados. También encontraron que el hielo perdía el 40% de su fuerza adhesiva incluso a temperaturas tan bajas como menos 31 grados Fahrenheit.

Se puede medir qué tan bien una superficie absorbe o repele el agua analizando el ángulo de contacto de las gotas que se depositan allí. Para ser superhidrofóbico, un material debe tener un ángulo de contacto con el agua (el ángulo en el que la superficie del agua se encuentra con la superficie del material) superior a 150 grados. Cuanto mayor sea la cuenta, mayor será el ángulo. Un ángulo de cero grados es un charco, mientras que un ángulo máximo de 180 grados es una esfera que toca la superficie.

Para lograr su superestado, los materiales hidrófobos tienen una energía superficial baja y una superficie rugosa. Los mejores materiales del equipo de Rice mostraron un ángulo de contacto de unos 164 grados. Una ilustración muestra la técnica de una arena para hacer materiales superhidrofóbicos. Una ilustración muestra la técnica de arena única desarrollada en la Universidad de Rice para hacer materiales superhidrofóbicos. El proceso de papel de lija y polvo de un solo paso también le da a los materiales mejores propiedades anticongelantes. (Ilustración de Weiyin Chen)

Higgs, cuyo laboratorio se especializa en tribología, el estudio de superficies en contacto deslizante, dijo que ciertos tipos de papel abrasivo pueden proporcionar una superficie rugosa que promueve el comportamiento hidrofóbico o repelente al agua deseado.

«Sin embargo, la idea del grupo Tour de insertar materiales en polvo seleccionados entre las superficies de fricción durante el proceso de lijado hace que se forme una tribopelícula», dijo Higgs. “Esto da la ventaja adicional de que la superficie está funcionalizada de tal manera que repele el agua cada vez mejor”.

Una tribopelícula se forma en una reacción química sobre superficies que se deslizan entre sí. La superficie del pistón de un motor es un buen ejemplo, dijo.

Según Higgs, la molienda vuelve ásperas las superficies más blandas y permite que el polvo se adhiera por las fuerzas de van der Waals. «Estas fuerzas son mayores cuando las superficies entran en contacto cercano», dijo. «Es por eso que las partículas de polvo pueden adherirse incluso después de lijar».

Los cambios estructurales y la transferencia de masa y electrones parecen reducir la energía superficial de los materiales, que según los investigadores ya eran levemente hidrofóbicos o hidrofílicos antes del tratamiento.

El equipo de Rice aplicó la técnica a una variedad de superficies (teflón, polietileno, polipropileno, poliestireno, cloruro de polivinilo y polidimetilsiloxano) con una variedad de aditivos en polvo. Estos incluyeron fibras de grafeno inducidas por láser, grafeno flash turboestrático, disulfuro de molibdeno, teflón y nitruro de boro. Se utilizaron varios papeles de lija de óxido de aluminio que van desde 180 a 2000 granos.

Los materiales resistentes demostraron ser robustos, porque no les molestaba ni el calentamiento a 130 grados centígrados ni los 18 meses bajo el sol de Houston. Pegar cinta transparente a la superficie y pelarla 100 veces tampoco la degradó. Pero incluso cuando los materiales comenzaron a fallar, los laboratorios descubrieron que volver a moler podría restaurar fácilmente su hidrofobicidad.

El equipo también descubrió que los materiales también pueden volverse hidrófilos o absorbentes de agua cambiando las condiciones de lijado y los aditivos en polvo.

Según Tour, la simplificación de la fabricación de materiales superhidrofóbicos y anticongelantes debería atraer el interés de la industria. «Es difícil hacer estos materiales», dijo. “Las superficies superhidrofóbicas no permiten que se acumule agua. El agua rueda y rueda incluso con la más mínima inclinación o con un viento ligero.

«Ahora casi cualquier superficie se puede hacer superhidrofóbica en segundos», dijo Tour. “Los polvos pueden ser tan simples como teflón o disulfuro de molibdeno, los cuales están fácilmente disponibles, o materiales de grafeno más nuevos. Muchas industrias podrían beneficiarse de esto, desde los constructores de aviones y barcos hasta los rascacielos donde la baja adherencia del hielo es esencial”.

«Los fabricantes de aviones no quieren que se forme hielo en sus alas, los capitanes de los barcos no quieren que el agua de mar los arrastre para frenarlos, y los dispositivos biomédicos deben evitar la bioincrustación, que es la acumulación de bacterias en las superficies mojadas», dijo Higgs. . “Las superficies resistentes, duraderas y superhidrofóbicas hechas con este método de lijado de un solo paso pueden aliviar muchos de estos problemas.

«Una limitación de otras técnicas para crear superficies hidrofóbicas es que no se pueden escalar a grandes áreas de superficie, como las de aviones y barcos», dijo. «Las técnicas de aplicación simples como la desarrollada aquí deberían ser escalables».

El estudiante graduado de Rice Weiyin Chen, coautor principal del nuevo artículo, dijo que el laboratorio Tour también aplicó su técnica de lijado a varias superficies metálicas, como se informó en otro artículo reciente (Materiales avanzados«Metales cepillados para baterías de metal recargables»), láminas de litio y sodio para baterías de metal.

«Las reacciones químicas espontáneas provocan la formación de tribopelículas, en este caso la interfaz artificial de electrolito sólido», dijo Chen. «Los metales modificados se pueden usar como ánodos para baterías de metal recargables».



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