لا يمكن أن يلمس الماء هذا السطح المطلي بالرمل
هل تريد سطحًا لا يبلل؟ خذ بعض ورق الصنفرة.
طور باحثو جامعة رايس طريقة بسيطة لجعل الأسطح شديدة المقاومة للماء – أي شديدة المقاومة للماء – بدون المواد الكيميائية المستخدمة غالبًا في مثل هذه العمليات.
تتضمن تقنيتهم ورق الصنفرة ومجموعة مختارة من المساحيق وبعض شحوم الكوع.
أظهرت مختبرات أساتذة رايس سي فريد هيجز الثالث وجيمس تور ، المؤلفان المشاركان لورقة بحثية في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية ACS Applied Materials and Interfaces ، أن صنفرة السطح تزيد من قدرته على التخلص من الماء دون أن يبلل. لكن الطحن في مسحوق في نفس الوقت يمنحه قوى خارقة كارهة للماء.
والأفضل من ذلك ، أن أسطحها شديدة المقاومة للماء تتمتع أيضًا بخصائص ممتازة مضادة للتجمد. ووجدوا أن الماء يستغرق 2.6 مرة أكثر للتجميد على الأسطح المعالجة مقارنة بالمواد غير المعالجة. كما لاحظوا أن الجليد فقد 40٪ من قوة التصاقه ، حتى في درجات حرارة منخفضة تصل إلى 31 درجة فهرنهايت تحت الصفر.
يمكن قياس مدى جودة امتصاص السطح للماء أو صده من خلال تحليل زاوية التلامس للقطرات التي تستقر هناك. لكي تكون المادة شديدة المقاومة للماء ، يجب أن يكون لها زاوية تلامس مع الماء – الزاوية التي يلتقي عندها سطح الماء بسطح المادة – أكبر من 150 درجة. كلما زاد الديكور ، زادت الزاوية. الزاوية صفر درجة عبارة عن بركة مياه ، بينما الزاوية القصوى 180 درجة عبارة عن كرة تلامس السطح فقط.
تتمتع المواد الكارهة للماء بطاقة سطحية منخفضة
لتحقيق مكانتها الفائقة ، تتمتع المواد الكارهة للماء بطاقة سطحية منخفضة بالإضافة إلى سطح خشن. أظهرت أفضل المواد التي استخدمها فريق رايس زاوية تلامس تبلغ حوالي 164 درجة.
قال هيغز ، الذي يتخصص معمله في علم الترايبولوجي ، ودراسة الأسطح ذات التلامس المنزلق ، إن أنواعًا معينة من ورق الصنفرة يمكن أن توفر خشونة السطح التي تعزز السلوك المرغوب في صد الماء أو الكارهة للماء.
قال هيغز: “ومع ذلك ، فإن فكرة مجموعة تور لإدخال مواد مسحوقية منتقاة بين أسطح الاحتكاك أثناء عملية الرمل إلى الداخل تعني تكوين تريبوفيلم”. “وهذا يعطي ميزة إضافية تتمثل في تشغيل السطح لصد الماء أكثر من أي وقت مضى.”
يتكون تريبوفيلم في تفاعل كيميائي على الأسطح المنزلقة ضد بعضها البعض. وقال إن سطح مكبس المحرك هو مثال جيد.
قال هيغز إن الصنفرة تخفف الأسطح الأكثر نعومة وتسمح للمساحيق بالالتصاق من خلال قوى فان دير فال. وقال “هذه القوى تكون في ذروتها عندما تتلامس الأسطح بشكل وثيق”. “لذلك ، يمكن أن تلتصق جزيئات المسحوق حتى بعد اكتمال عملية الرمل.”
يبدو أن التغيرات الهيكلية وانتقال الكتلة والإلكترون تعمل على خفض الطاقة السطحية للمواد التي كانت بالفعل ، قبل المعالجة ، إما كارهة للماء أو محبة للماء ، وفقًا للباحثين.
طبق فريق رايس هذه التقنية على مجموعة متنوعة من الأسطح (تفلون ، بولي إيثيلين ، بولي بروبيلين ، بوليسترين ، بولي فينيل كلوريد وبولي دايميثيل سيلوكسان) مع مجموعة متنوعة من إضافات المسحوق. وشملت هذه ألياف الجرافين المستحثة بالليزر ، والجرافين الفلاش التوربيني ، وثاني كبريتيد الموليبدينوم ، والتفلون ، ونتريد البورون. تم استخدام مجموعة متنوعة من ورق الصنفرة من أكسيد الألومنيوم ، من 180 إلى 2000 حصى.
أثبتت المواد المقاومة أنها قوية ، حيث لم تتسبب التسخين إلى 130 درجة مئوية (266 درجة فهرنهايت) ولا 18 شهرًا تحت شمس هيوستن الحارة في تدهورها. كما أن لصق الشريط الشفاف على السطح وتقشيره 100 مرة لا يؤدي إلى تدهورها أيضًا. ولكن حتى عندما بدأت المواد في التعطل ، وجدت المختبرات أن إعادة صنفرتها يمكن أن يؤدي بسهولة إلى تحديث قدرتها على مقاومة الماء.
اكتشف الفريق أيضًا أنه من خلال تغيير ظروف الرمل ومضافات المسحوق ، يمكن أيضًا جعل المواد محبة للماء أو تمتص الماء.
وقالت جولة إن تبسيط تصنيع المواد شديدة المقاومة للماء والمضادة للتجمد يجب أن يجذب اهتمام الصناعة. قال “من الصعب صنع هذه المواد”. “الأسطح شديدة المقاومة للماء لا تسمح بتراكم الماء. وتتدحرج حبات الماء فورًا إذا كانت هناك حتى أدنى زاوية أو رياح لطيفة.
يمكن جعل أي سطح تقريبًا شديد المقاومة للماء
قال تور: “الآن ، يمكن جعل أي سطح تقريبًا شديد المقاومة للماء في ثوانٍ”. “يمكن أن تكون المساحيق بسيطة مثل التفلون أو ثاني كبريتيد الموليبدينوم ، وكلاهما متاح بسهولة ، أو مواد الجرافين الأحدث. يمكن للعديد من الصناعات الاستفادة من ذلك ، من بناة الطائرات والقوارب إلى ناطحات السحاب ، حيث يكون التصاق الجليد المنخفض أمرًا ضروريًا. “
وقال هيغز: “مصنعو الطائرات لا يريدون تكوين الجليد على أجنحتهم ، ولا يريد قباطنة السفن السحب من مياه المحيط لإبطائها ، وتحتاج الأجهزة الطبية الحيوية إلى تجنب الحشف الحيوي ، حيث تتراكم البكتيريا على الأسطح الرطبة”. “يمكن للأسطح القوية المقاومة للماء الخارقة التي تدوم طويلاً والتي يتم إنتاجها من هذه الطريقة التي تتكون من خطوة واحدة ، أن تخفف من العديد من هذه المشاكل.
وقال: “إن أحد القيود الأخرى لتوليد أسطح كارهة للماء هو أنها لا تصل إلى مساحات كبيرة مثل تلك الموجودة على الطائرات والسفن”. “يجب أن تكون تقنيات التطبيق البسيطة مثل تلك التي تم تطويرها هنا قابلة للتطوير.”
قال طالب الدراسات العليا في رايس وين تشين ، المؤلف المشارك الرئيسي للورقة الجديدة ، إن مختبر الجولة قد طبق أيضًا أسلوبه في الرمل على الأسطح المعدنية المختلفة ، بما في ذلك ، كما ورد في ورقة أخرى حديثة ، رقائق الليثيوم والصوديوم للبطاريات المعدنية.
قال تشين: “تسبب التفاعلات الكيميائية العفوية تكوين أغشية ترايبوفيلم ، وفي هذه الحالة ، الطور البيني للكهرباء الصلبة الاصطناعية”. “يمكن استخدام المعادن المعدلة كأنودات للبطاريات المعدنية القابلة لإعادة الشحن.”
خريج رايس وينستون وانج والزائر الأكاديمي دوي شوان لونج هما مؤلفان رئيسيان للورقة. المؤلفون المشاركون هم خريجو رايس جون تيانسي لي وييو تشيان وكايشون يانغ ووالا الجزيب وطلاب الدراسات العليا فيكتوريا جرانجا وبول أدفينكولا وتشانج جي. هيغز هو نائب عميد الشؤون الأكاديمية ، وأستاذ جون وآن دوير في الهندسة الميكانيكية ، وأستاذ الهندسة الحيوية ومدير هيئة التدريس في مركز رايس للقيادة الهندسية. Tour هو كرسي TT و WF Chao في الكيمياء بالإضافة إلى أستاذ علوم الكمبيوتر وعلوم المواد والهندسة النانوية في رايس.
