Hydrophob - Hydrophobe

165 Grad Wasserkontaktwinkel auf einer Oberfläche, die mit der Oberflächenchemie des Plasmatechnologiesystems modifiziert wurde. Der Kontaktwinkel ist der rote Winkel plus 90 Grad.
Tautropfen auf einer hydrophoben Blattoberfläche
Schneiden eines Wassertropfens mit einem superhydrophoben Messer auf superhydrophoben Oberflächen
Wassertropfen auf der hydrophoben Grasoberfläche

In der Chemie ist Hydrophobie die physikalische Eigenschaft eines Moleküls , das scheinbar von einer Wassermasse abgestoßen wird (bekannt als Hydrophob ). (Es gibt keine abstoßende Kraft; es ist keine Anziehungskraft vorhanden.) Im Gegensatz dazu werden Hydrophile von Wasser angezogen.

Hydrophobe Moleküle neigen dazu, unpolar zu sein und bevorzugen daher andere neutrale Moleküle und unpolare Lösungsmittel . Da Wassermoleküle polar sind, lösen sich Hydrophobe unter ihnen nicht gut auf. Hydrophobe Moleküle in Wasser gruppieren sich oft zu Micellen . Wasser auf hydrophoben Oberflächen weist einen hohen Kontaktwinkel auf .

Beispiele für hydrophobe Moleküle umfassen die Alkane , Öle , Fette und fettige Substanzen im Allgemeinen. Hydrophobe Materialien werden für die Ölentfernung aus Wasser, das Management von Ölverschmutzungen und chemische Trennverfahren verwendet, um unpolare Substanzen aus polaren Verbindungen zu entfernen.

Hydrophob wird oft synonym mit lipophil , „fettliebend“ verwendet. Die beiden Begriffe sind jedoch nicht synonym. Während hydrophobe Substanzen in der Regel lipophil sind, gibt es Ausnahmen wie die Silikone und Fluorcarbone .

Der Begriff Hydrophob kommt aus dem Altgriechischen ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), „einen Schrecken vor Wasser haben“, konstruiert aus dem Altgriechischen ὕδωρ (húdōr)  „Wasser“ und dem Altgriechischen φόβος (phóbos)  „Angst“.

Chemischer Hintergrund

Die hydrophobe Wechselwirkung ist meist ein entropischer Effekt, der aus der Unterbrechung der hochdynamischen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Molekülen von flüssigem Wasser durch den unpolaren gelösten Stoff entsteht, der eine clathratartige Struktur um die unpolaren Moleküle bildet. Diese gebildete Struktur ist höher geordnet als freie Wassermoleküle, da sich die Wassermoleküle so anordnen, dass sie so weit wie möglich mit sich selbst interagieren, und führt daher zu einem höheren entropischen Zustand, der dazu führt, dass unpolare Moleküle zusammenklumpen, um die exponierte Oberfläche zu reduzieren zu verwässern und die Entropie des Systems zu verringern. Somit ändern sich die beiden nicht mischbaren Phasen (hydrophil vs. hydrophob) so, dass ihre entsprechende Grenzfläche minimal ist. Dieser Effekt kann in dem Phänomen der Phasentrennung visualisiert werden .

Superhydrophobie

Ein Wassertropfen auf einem Lotus-Pflanzenblatt.

Superhydrophobe Oberflächen, wie die Blätter der Lotuspflanze, sind extrem schwer zu benetzen. Der Kontaktwinkel eines Wassertropfens überschreitet 150°. Dies wird als Lotuseffekt bezeichnet und ist in erster Linie eine physikalische Eigenschaft, die sich auf die Grenzflächenspannung bezieht , und keine chemische Eigenschaft.

Theorie

Im Jahr 1805 definierte Thomas Young den Kontaktwinkel θ, indem er die Kräfte analysierte, die auf einen Flüssigkeitstropfen einwirken, der auf einer von einem Gas umgebenen festen Oberfläche ruht.

Ein Flüssigkeitströpfchen ruht auf einer festen Oberfläche und ist von Gas umgeben. Der Kontaktwinkel, θ C , ist die durch eine Flüssigkeit gebildet Winkel an der Dreiphasengrenze , wo die Flüssigkeit, Gas und Feststoff schneiden.
Ein Tröpfchen, das auf einer festen Oberfläche ruht und von einem Gas umgeben ist, bildet einen charakteristischen Kontaktwinkel  θ . Wenn die feste Oberfläche rau ist und die Flüssigkeit in engem Kontakt mit den festen Unebenheiten steht, befindet sich das Tröpfchen im Wenzel-Zustand. Wenn die Flüssigkeit oben auf den Unebenheiten ruht, befindet sie sich im Cassie-Baxter-Zustand.

wo

= Grenzflächenspannung zwischen Feststoff und Gas
= Grenzflächenspannung zwischen Festkörper und Flüssigkeit
= Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Gas

θ kann mit einem Kontaktwinkelgoniometer gemessen werden .

Wenzel stellte fest, dass sich θ in θ W* ändert , wenn die Flüssigkeit in engem Kontakt mit einer mikrostrukturierten Oberfläche steht.

wobei r das Verhältnis der tatsächlichen Fläche zur projizierten Fläche ist. Die Wenzel-Gleichung zeigt, dass die Mikrostrukturierung einer Oberfläche die natürliche Tendenz der Oberfläche verstärkt. Eine hydrophobe Oberfläche (eine mit einem ursprünglichen Kontaktwinkel von mehr als 90°) wird bei der Mikrostrukturierung hydrophober – ihr neuer Kontaktwinkel wird größer als der des Originals. Eine hydrophile Oberfläche (mit einem ursprünglichen Kontaktwinkel von weniger als 90°) wird jedoch bei der Mikrostrukturierung hydrophiler – ihr neuer Kontaktwinkel wird kleiner als der ursprüngliche. Cassie und Baxter fanden heraus, dass sich θ in θ CB* ändert , wenn die Flüssigkeit auf den Spitzen von Mikrostrukturen suspendiert ist :

wobei φ der Flächenanteil des Festkörpers ist, der die Flüssigkeit berührt. Flüssigkeit im Cassie-Baxter-Staat ist mobiler als im Wenzel-Staat.

Wir können vorhersagen, ob der Wenzel- oder Cassie-Baxter-Zustand existieren sollte, indem wir den neuen Kontaktwinkel mit beiden Gleichungen berechnen. Durch ein Argument der Minimierung der freien Energie ist die Beziehung, die den kleineren neuen Kontaktwinkel vorhersagte, der Zustand, der am wahrscheinlichsten existiert. Mathematisch ausgedrückt muss die folgende Ungleichung wahr sein, damit der Cassie-Baxter-Zustand existiert.

Ein neueres alternatives Kriterium für den Cassie-Baxter-Zustand besagt, dass der Cassie-Baxter-Zustand existiert, wenn die folgenden 2 Kriterien erfüllt sind: 1) Kontaktlinienkräfte überwinden Körperkräfte des nicht unterstützten Tröpfchengewichts und 2) die Mikrostrukturen sind groß genug, um die Flüssigkeit zu verhindern die Mikrostrukturen vom Berühren der Basis der Mikrostrukturen überbrückt.

Ein neues Kriterium für den Wechsel zwischen Wenzel- und Cassie-Baxter-Zuständen wurde kürzlich basierend auf Oberflächenrauheit und Oberflächenenergie entwickelt. Das Kriterium konzentriert sich auf die Fähigkeit zum Einfangen von Luft unter Flüssigkeitströpfchen auf rauen Oberflächen, die Aufschluss darüber geben könnte, ob das Modell von Wenzel oder das Modell von Cassie-Baxter für eine bestimmte Kombination von Oberflächenrauheit und Energie verwendet werden sollte.

Der Kontaktwinkel ist ein Maß für die statische Hydrophobie, und die Kontaktwinkelhysterese und der Gleitwinkel sind dynamische Maße. Die Kontaktwinkelhysterese ist ein Phänomen, das die Oberflächenheterogenität charakterisiert. Wenn eine Pipette eine Flüssigkeit auf einen Feststoff injiziert, bildet die Flüssigkeit einen Kontaktwinkel. Wenn die Pipette mehr Flüssigkeit injiziert, nimmt das Volumen des Tröpfchens zu, der Kontaktwinkel wird größer, aber seine Dreiphasengrenze bleibt stationär, bis es plötzlich nach außen vordringt. Der Kontaktwinkel, den das Tröpfchen unmittelbar vor seinem Fortschreiten nach außen hatte, wird als fortschreitender Kontaktwinkel bezeichnet. Der Rückzugswinkel wird nun gemessen, indem die Flüssigkeit aus dem Tröpfchen zurückgepumpt wird. Das Tröpfchen nimmt an Volumen ab, der Kontaktwinkel nimmt ab, aber seine Dreiphasengrenze bleibt stationär, bis es sich plötzlich nach innen zurückzieht. Der Kontaktwinkel, den das Tröpfchen unmittelbar vor dem Rückzug nach innen hatte, wird als Rückzugskontaktwinkel bezeichnet. Der Unterschied zwischen fortschreitenden und zurückweichenden Kontaktwinkeln wird als Kontaktwinkelhysterese bezeichnet und kann verwendet werden, um Oberflächenheterogenität, Rauheit und Beweglichkeit zu charakterisieren. Oberflächen, die nicht homogen sind, haben Domänen, die die Bewegung der Kontaktlinie behindern. Der Gleitwinkel ist ein weiteres dynamisches Maß für die Hydrophobie und wird gemessen, indem ein Tröpfchen auf einer Oberfläche abgeschieden und die Oberfläche geneigt wird, bis das Tröpfchen zu gleiten beginnt. Im Allgemeinen weisen Flüssigkeiten im Cassie-Baxter-Zustand niedrigere Gleitwinkel und Kontaktwinkelhysterese auf als solche im Wenzel-Zustand.

Forschung und Entwicklung

Wassertröpfchen rollen eine geneigte hydrophobe Oberfläche hinunter.
Wassertropfen auf einer künstlichen hydrophoben Oberfläche (links)

Dettre und Johnson entdeckten 1964, dass das Phänomen des superhydrophoben Lotuseffekts mit rauen hydrophoben Oberflächen zusammenhängt, und entwickelten ein theoretisches Modell basierend auf Experimenten mit mit Paraffin oder TFE-Telomer beschichteten Glasperlen. Über die selbstreinigende Eigenschaft superhydrophober mikronanostrukturierter Oberflächen wurde 1977 berichtet. Perfluoralkyl, Perfluorpolyether und HF-Plasma-gebildete superhydrophobe Materialien wurden zwischen 1986 und 1995 entwickelt, für die Elektrobenetzung verwendet und für biomedizinische Anwendungen kommerzialisiert entstand seit Mitte der 1990er Jahre. Eine dauerhafte superhydrophobe hierarchische Zusammensetzung, die in einem oder zwei Schritten aufgetragen wird, wurde im Jahr 2002 offenbart, die Partikel in Nanogröße 100 Nanometer umfasst, die über einer Oberfläche mit mikrometergroßen Merkmalen oder Partikeln 100 Mikrometer liegen. Es wurde beobachtet, dass die größeren Partikel die kleineren Partikel vor mechanischem Abrieb schützen.

In den letzten Forschung, superhydrophoben wurde , indem Alkylketen berichtet Dimer (AKD) erstarren in eine nanostrukturierte Oberfläche Fraktal. Viele Veröffentlichungen haben seitdem Herstellungsverfahren zur Herstellung superhydrophober Oberflächen präsentiert, einschließlich Partikelabscheidung, Sol-Gel-Techniken, Plasmabehandlungen, Dampfabscheidung und Gießtechniken. Aktuelle Chancen für Forschungswirkungen liegen hauptsächlich in der Grundlagenforschung und in der praktischen Fertigung. In letzter Zeit sind Debatten über die Anwendbarkeit der Modelle von Wenzel und Cassie-Baxter aufgetaucht. In einem Experiment, das entwickelt wurde, um die Oberflächenenergieperspektive des Wenzel- und Cassie-Baxter-Modells in Frage zu stellen und eine Kontaktlinienperspektive zu fördern, wurden Wassertropfen auf eine glatte hydrophobe Stelle in einem rauen hydrophoben Feld, eine raue hydrophobe Stelle in einem glatten hydrophoben Feld, und einen hydrophilen Fleck in einem hydrophoben Feld. Experimente zeigten, dass die Oberflächenchemie und -geometrie an der Kontaktlinie den Kontaktwinkel und die Kontaktwinkelhysterese beeinflusst , aber der Oberflächenbereich innerhalb der Kontaktlinie hatte keinen Einfluss. Ein Argument, dass eine erhöhte Zacken in der Kontaktlinie die Tröpfchenmobilität verbessert, wurde ebenfalls vorgeschlagen.

Viele in der Natur vorkommende hydrophobe Materialien beruhen auf dem Cassie-Gesetz und sind mit einer Luftkomponente im Submikrometerbereich zweiphasig . Der Lotuseffekt basiert auf diesem Prinzip. Inspiriert davon wurden viele funktionelle superhydrophobe Oberflächen hergestellt.

Ein Beispiel für ein bionisches oder biomimetisches superhydrophobes Material in der Nanotechnologie ist der Nanopin-Film .

Eine Studie stellt eine Vanadiumpentoxid- Oberfläche vor, die unter dem Einfluss von UV-Strahlung reversibel zwischen Superhydrophobie und Superhydrophilie umschaltet . Laut Studie kann jede Oberfläche durch Auftragen einer Suspension aus rosenartigen V 2 O 5 -Partikeln, beispielsweise mit einem Tintenstrahldrucker, dahingehend modifiziert werden . Wiederum wird die Hydrophobie durch interlaminare Lufteinschlüsse (getrennt durch 2,1 nm- Abstände) induziert . Auch der UV-Effekt wird erklärt. UV-Licht erzeugt Elektron-Loch-Paare , wobei die Löcher mit Gittersauerstoff reagieren und Sauerstoffleerstellen an der Oberfläche erzeugen, während die Elektronen V 5+ zu V 3+ reduzieren . Die Sauerstoffleerstellen werden durch Wasser ausgeglichen, und es ist diese Wasseraufnahmefähigkeit der Vanadiumoberfläche, die es hydrophil macht. Durch längere Lagerung im Dunkeln wird Wasser durch Sauerstoff ersetzt und die Hydrophilie geht wieder verloren.

Einer signifikanten Mehrheit hydrophober Oberflächen werden ihre hydrophoben Eigenschaften durch strukturelle oder chemische Modifikation einer Oberfläche eines Schüttguts verliehen, entweder durch Beschichtungen oder Oberflächenbehandlungen. Das heißt, das Vorhandensein molekularer Spezies (normalerweise organischer) oder struktureller Merkmale führt zu hohen Kontaktwinkeln von Wasser. In den letzten Jahren wurde gezeigt, dass Oxide der Seltenen Erden eine intrinsische Hydrophobie besitzen. Die intrinsische Hydrophobie von Seltenerdoxiden hängt von der Oberflächenorientierung und den Sauerstoffleerstellen ab und ist natürlich robuster als Beschichtungen oder Oberflächenbehandlungen, da sie potenzielle Anwendungen in Kondensatoren und Katalysatoren hat, die bei hohen Temperaturen oder korrosiven Umgebungen betrieben werden können.

Anwendungen und Anwendungsmöglichkeiten

Hydrophober Beton wird seit Mitte des 20. Jahrhunderts hergestellt.

Aktive neuere Forschungen zu superhydrophoben Materialien könnten schließlich zu mehr industriellen Anwendungen führen.

Es wurde über eine einfache Routine zum Beschichten von Baumwollgewebe mit Siliziumdioxid- oder Titandioxidpartikeln durch Sol-Gel-Technik berichtet, die das Gewebe vor UV-Licht schützt und es superhydrophob macht.

Es wurde über eine effiziente Routine berichtet, um Polyethylen superhydrophob und damit selbstreinigend zu machen. 99% des Schmutzes auf einer solchen Oberfläche werden leicht abgewaschen.

Gemusterte superhydrophobe Oberflächen sind auch vielversprechend für Lab-on-a-Chip-Mikrofluidik-Geräte und können die oberflächenbasierte Bioanalyse drastisch verbessern.

In Pharmazeutika beeinflusst die Hydrophobie von Pharmamischungen wichtige Qualitätsmerkmale der Endprodukte, wie die Wirkstoffauflösung und Härte . Es wurden Verfahren entwickelt, um die Hydrophobie von pharmazeutischen Materialien zu messen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links