KIT
Potencialna uporaba za samočistilne površine v avtomobilih ali stavbah
Znanstveniki s Tehnološkega inštituta v Karlsruheju (KIT) in Indijskega tehnološkega inštituta v Guwahatiju (IITG) so razvili površinski material, ki skoraj popolnoma odbija vodne kapljice. S povsem inovativnim postopkom so spremenili kovinsko-organska ogrodja (angl. metal-organic frameworks – MOF) – umetno zasnovane materiale z novimi lastnostmi – s cepljenjem ogljikovodikovih verig. Nastale superhidrofobne (izjemno vodoodbojne) lastnosti so zanimive za uporabo kot samočistilne površine, ki morajo biti odporne na vplive okolja, na primer na avtomobilih ali v arhitekturi. Študija je bila objavljena v reviji Materials Horizons. (DOI: 10.1039/D4MH00899E)
MOF so sestavljeni iz kovin in organskih povezovalcev, ki tvorijo mrežo s praznimi porami, podobnimi gobi. Če bi razvili dva grama tega materiala, bi pokrili površino nogometnega igrišča. Zato so zanimiv material za uporabo, kot je shranjevanje plina, ločevanje ogljikovega dioksida ali nove medicinske tehnologije.
Toda tudi zunanje površine, ki jih ti kristalni materiali izpostavljajo, imajo edinstvene lastnosti, kar je raziskovalna skupina izkoristila s cepljenjem ogljikovodikovih verig na tanke MOF filme. Opazili so kontaktni kot za vodo, ki je znašal več kot 160 stopinj – večji kot tvori površina vodne kapljice s podlago, boljše so hidrofobne lastnosti materiala. „Z našo metodo lahko dosežemo superhidrofobne površine s kontaktnimi koti, ki so bistveno višji od kotov drugih gladkih površin in premazov,“ pravi profesor Christof Wöll z Inštituta za funkcionalne vmesnike KIT. „Čeprav so bile vlažilne lastnosti prašnih delcev MOF raziskane že prej, je uporaba monolitnih tankih plasti MOF v ta namen revolucionaren koncept.“
Superhidrofobni materiali nove generacije
Ekipa te rezultate pripisuje čopičem podobni razporeditvi (polimerne krtačke) ogljikovodikovih verig na MOF-ih. Ko so cepljene na MOF materiale, te običajno tvorijo „tuljave“ – stanje neurejenosti, ki ga znanstveniki imenujejo „stanje visoke entropije“, kar je bistveno za hidrofobne lastnosti. Znanstveniki trdijo, da tega stanja cepljenih ogljikovodikovih verig ni mogoče opaziti na drugih materialih.
Zanimivo je, da se kontaktni kot vode ni povečal niti takrat, ko so za cepljenje uporabili perfluorirane ogljikovodikove verige, tj. vodikove atome so zamenjali s fluorom. V materialih, kot je teflon, perfluoriranje zagotavlja superhidrofobne lastnosti. Pri novo razvitem materialu pa je močno zmanjšala kontaktni kot vode, kot je ugotovila ekipa. Nadaljnje analize v računalniških simulacijah so potrdile, da perfluorirane molekule – v nasprotju z ogljikovodikovimi verigami – ne morejo zavzeti energetsko ugodnega stanja visoke entropije.
Poleg tega so znanstveniki spreminjali hrapavost površine sistemov SAM@SURMOF v nanometrskem območju, s čimer so še dodatno zmanjšali oprijemljivost vode. Tudi pri izjemno majhnih naklonskih kotih so se vodne kapljice začele kotaliti, njihove hidrofobne in samočistilne lastnosti pa so se znatno izboljšale.
„Naše delo vključuje tudi podrobno teoretično analizo, ki nepričakovano obnašanje, prikazano v poskusih, povezuje z visokoentropijskim stanjem molekul, cepljenih na filme MOF,“ pravi profesor Uttam Manna z oddelka za kemijo IITG. „Ta študija bo spremenila načrtovanje in proizvodnjo naslednje generacije materialov z optimalnimi hidrofobnimi lastnostmi.“
Originalna publikacija:
Evgenia Bogdanova, Modan Liu, Patrick Hodapp, Angana Borbora, Wolfgang Wenzel, Stefan Bräse, André Jung, Zheqin Dong, Pavel Levkin, Uttam Manna, Tawheed Hashem in Christof Wöll: Functionalization of Monolithic MOF Thin Films with Hydrocarbon Chains to Achieve Superhydrophobic Surfaces with Tunable Water Adhesion Strength, Royal Society of Chemistry, Materials Horizons 2024, DOI: 10.1039/D4MH00899E
O univerzi KIT
Kot „Raziskovalna univerza v združenju Helmholtz“, KIT ustvarja in posreduje znanje za družbo in okolje. Njen cilj je pomembno prispevati h globalnim izzivom na področju energije, mobilnosti in informacij. V ta namen približno 10.000 zaposlenih sodeluje na številnih področjih naravoslovja, tehniških ved, ekonomije ter humanistike in družboslovja. KIT s svojimi študijskimi programi, ki temeljijo na raziskavah, pripravlja 22.800 študentov na odgovorne naloge v družbi, industriji in znanosti. Prizadevanja za inovacije na KIT gradijo most med pomembnimi znanstvenimi spoznanji in njihovo uporabo v korist družbe, gospodarske blaginje in ohranjanja naših naravnih osnov življenja. KIT je ena od nemških univerz odličnosti.
Povzeto po:
https://www.kit.edu/kit/english/pi_2024_105_novel-materials-with-almost-perfect-water-repellency.php
