Vandafvisende Metaller

Super-hydrofobiske egenskaber kan føre til applikationer i solpaneler, sanitet og som rustfri metaller
Forskere ved University of Rochester har brugt lasere, til at omdanne metaller til ekstremt vandafvisende eller superhydrofob materialer, uden behov for midlertidige belægninger.

Super-hydrofob materialer er ønskelige til en række anvendelser, såsom rustforebyggelse, anti-isning eller til sanitet.
Men som Rochesters Chunlei Guo forklarer, er de fleste nuværende hydrofobe materialer afhængige af kemiske belægninger.

I Journal of Applied Physics, beskriver Guo og hans kollega ved universitetets institut for optik, Anatoliy Vorobyev, en kraftfuld og præcis laserteknik, der skaber et indviklet mønster af strukturer på mikro- og nanoskala niveau, for at give metallerne deres nye egenskaber. Dette arbejde bygger på tidligere undersøgelser af holdet, hvor de brugte en lignende laserteknik, der gjorde metaller sorte. Guo udtaler, at ved anvendelse af denne teknik kan de skabe multifunktionelle overflader, som ikke alene er super-hydrofobiske, men også optisk absorberende.
Guo tilføjer, at en af ​​de store fordele ved hans holds proces er, at “de strukturer, der er skabt af vores laser på metallerne, er i sig selv en del af materialets overflade.” Det betyder, at de ikke vil kunne gnides af. Og det er disse mønstre, der får metallerne til at afvise vand.

“Materialet er så stærkt vandafvisende,vandet preller af. Lander vandet på overfladen igen, preller det af igen” sagde Guo, professor i optik i universitetets Hajim School of Engineering and Applied Sciences. Hele den proces tager mindre end et sekund.

Materialerne Guo har skabt, er meget mere glatte end Teflon – et almindeligt hydrofobt materiale, der ofte findes på nonstick stegepander. I modsætning til Guos laserbehandlede metaller er Teflon køkkenværktøjerne ikke superhydrofobiske. Forskellen er, for at få vand til at trille af et Teflon-belagt materiale, skal du vippe overfladen til næsten 70 graders vinkel, før vandet begynder at glide af. Du kan få vand til at rulle fra Guos metaller ved at vippe dem mindre end fem grader.

Da vandet hopper hen over den super-hydrofobe overflade, samler det også støvpartikler op og tager dem med på turen. For at teste denne selvrensende egenskab, tog Guo og hans team almindeligt støv fra en støvsuger og fordelte det på den behandlede overflade. Omkring halvdelen af ​​støvpartiklerne blev fjernet med kun tre dråber vand. Det tog kun et dusin dråber for at forlade overfladen uplettet. Og endnu bedre, overfladen forbliver helt tør.

Guo er begejstret for de potentielle anvendelser af superhydrofobiske materialer i udviklingslande. Det er dette potentiale, der har vakt interesse for Bill og Melinda Gates Foundation, som har støttet arbejdet.

“I disse regioner er opsamling af regnvand afgørende, og brug af superhydrofobiske materialer, kan øge effektiviteten uden at bruge store tragte med stejle vinkler for at forhindre vand i at klæbe til overfladen,” siger Guo. “En anden applikation kunne være latriner, der er renere og sundere at bruge.”

Latriner er en udfordring at holde rene på steder med lidt vand. Ved at inkorporere super-hydrofobiske materialer kan en latrin forblive rent uden behov for spuling med vand.

Men der er stadig udfordringer der skal adresseres, før disse applikationer kan blive virkelighed, siger Guo. Det tager i øjeblikket en time at mønstre en 2.5 cm² metalprøve, og opskalering af denne proces vil være nødvendig, før den kan udnyttes i udviklingslande. Forskerne ser også på måder at anvende teknikken på andre materialer som ikke er metal.

Guo og Vorobyev bruger ekstremt kraftige, men ultrakorte, laserimpulser til at ændre metaloverfladen. En femtosecond laserpuls som varer i størrelsesordenen et kvadrillion sekund, men under dens korte udbrud, når en spidseffekt svarende til hele strømforsyningen i Nordamerika.

Guo vil gerne understrege, at denne samme teknik kan give anledning til multifunktionelle metaller. Metaller er naturligt fremragende reflektorer af lys og derfor ser ud til at have en skinnende glans. At gøre dem sorte kan derfor gøre dem meget effektive til at absorbere lys. Kombinationen af ​​lysabsorberende egenskaber ved at gøre vandafvisende metaller kan føre til mere effektive solabsorberende materialer – solabsorberende materialer, som ikke ruster og som ikke kræver meget rengøring.

Guos hold havde tidligere behandlet materialer med laserne og gjort dem hydrofile, hvilket betyder at de tiltrækker vand. Faktisk var materialerne så hydrofile at sætte dem i kontakt med en dråbe vand, kører den “op ad bakke.”

Guos team planlægger nu at fokusere på at øge hastigheden af mønstrering af overfladerne med laseren samt at studere, hvordan man udvider denne teknik til andre materialer som halvledere eller dielektriske, hvilket åbner mulighed for vandafvisende elektronik.

Finansiering blev ydet af Bill & Melinda Gates Foundation og United States Air Force Office of Scientific Research.

Artiklen “Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses” blev offentliggjort i Journal of Applied Physics den 20. januar 2015 (DOI: 10.1063 / 1.4905616). Den kan fås på: http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/117/3/10.1063/1.4905616

 

Kilde