То мокнет, то сохнет

Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Чехии (Университет химии и технологии, Прага) предложили новую концепцию управления жидкостями на поверхности материалов. Исследователям удалось добиться того, чтобы один и тот же материал очень быстро (в пределах семи секунд) мог становиться супергидрофобным (то есть несмачиваемым), а затем гидрофильным (впитывающим влагу). Скорость ответа на внешнее воздействие — одно из ключевых преимуществ метода по сравнению с аналогами. Результаты исследования опубликованы в престижном журнале ACS Applied Materials&Interfaces. 

— Одна из ключевых задач современной химической технологии — создание так называемых “умных” материалов, то есть способных менять свои свойства, отвечая на внешние раздражители, — рассказал один из авторов статьи, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников. — Очень важно научиться управлять смачиваемостью. Методы такие есть, но их главный недостаток — скорость: материал отвечает на импульс (например, на свет) в течение нескольких минут. Нам же благодаря соединению физических и химических методов впервые удалось добиться практически моментального ответа. 

Авторы статьи взяли для исследований два распространенных полимерных материала: PVDF (по своим свойствам схожий с тефлоном) и PMMA (обычное оргстекло). Композиты на их основе обладают пьезоэлектрическими свойствами — способностью растягиваться или сжиматься под действием тока. 

— Наши коллеги в Праге растворяют полимеры и формируют из получившихся волокон нетканые материалы. Дальше волокна помещаются в водный раствор с солями диазония и нагреваются. При этом образовываются активные радикалы, которые атакуют поверхность волокон и формируют на них нужные нам химические соединения, например, 4-перфторалкилфенильные группы. Эти соединения вкупе с физическими особенностями материалов и позволяют управлять смачиваемостью, причем, что важно, не на уровне поверхности, а на уровне каждого волокна, — пояснил П.Постников.

К полученным таким образом материалам подводятся электроды. Как только подается ток, материалы меняют свои свойства. Степень гидрофобности зависит от напряженности электрического поля. В супергидрофобном состоянии достаточно наклонить пластинку материала на три градуса, чтобы капля с нее скатилась. Причем такие эффекты ученые наблюдали не только с водой, но и с лиофильными растворителями. По словам авторов, это говорит о том, что метод подходит для широкого спектра жидкостей.

Очень важное свойство этих материалов — самоочищаемость: достаточно капнуть на образцы буквально несколько капель растворителя или воды, как частицы грязи переходят в воду и “скатываются” вместе с ней с поверхности, которая остается совершенно чистой.

Также впервые удалось управлять адгезией капель, то есть их способностью сцепляться с твердой поверхностью. Управляя смачиваемостью и адгезией, то есть изменяя напряженность поля, включая и выключая ток, меняя наклон материала, можно заставлять каплю двигаться в нужном направлении. Это очень актуально для микрофлюидных технологий, а также для создания биосенсоров. 

Проект был поддержан Российским научным фондом.