ΙΣΤΟΡΙΚΟ ΠΟΥ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΔΙΑΒΑΣΟΥΝ ΟΙ ΣΠΟΥΔΑΣΤΕΣ ΓΙΑ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ Δ: ΥΠΕΡΥΔΡΟΦΟΒΑ ΥΛΙΚΑ Ο στόχος αυτού του πειράματος είναι να αναλύσετε μερικά καινοτόμα υλικά, τα οποία απωθούν ιδιαίτερα το νερό, λεκιάζουν λιγότερο και απαιτούν λιγότερο καθάρισμα χάρη στη νανο-σχεδιασμένη επιφάνειά τους. Αυτά τα υλικά αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας ως έμπνευση τη Φύση, αφού τα φύλλα κάποιων φυτών έχουν εξαιρετικές ιδιότητες, λόγω της σύνθεσης της επιφάνειάς τους. Η ιδιότητα που αναλύεται εδώ είναι το υπερυδρόφοβο φαινόμενο που βρίσκουμε σε κάποια φύλλα, όπως τα φύλλα του νούφαρου. Το φαινόμενο οφείλεται στην αλληλεπίδραση της χημείας της επιφάνειας και της τοπογραφίας της επιφάνειας σε μικρο- και νανο-επίπεδο. Σε αυτό το πείραμα: - θα μελετήσετε και θα εξετάσετε τις ιδιότητες ενός φύλλου νούφαρου (ή έναν άλλο τύπο, το φύλλο του νεροκάρδαμου, το οποίο έχει παρόμοιες ιδιότητες) - θα μάθετε για τα λειτουργικά νανο-υλικά που έχουν σχεδιαστεί στη νανο-κλίμακα, ώστε να είναι υπερυδρόφοβα: μία πορώδης γκοφρέτα σιλικόνης υπό μελέτη στο inano (η ανάλυση γίνεται παρακολουθώντας ένα βίντεο), και ένα ύφασμα (από τη Nano-Tex, Inc.). Θα εξετάσετε το ύφασμα Nano-Tex για να δείτε πώς συμπεριφέρεται, συγκρινόμενο με ένα κανονικό βαμβακερό ύφασμα και με ένα φύλλο νούφαρου. Σε αυτό το έγγραφο θα σας δώσουμε τις βασικές πληροφορίες γι αυτό το πείραμα, θα επανεξετάσουμε κάποιες θεμελιώδεις έννοιες για τις ιδιότητες της επιφάνειας, και θα δούμε στη συνέχεια, πώς τα φυσικά υλικά μπορούν να αποτελέσουν έμπνευση για κάποια νέα προηγμένα υλικά, που απωθούν εντελώς το νερό! 1. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Οι ιδιότητες της επιφάνειας ενός υλικού σχετίζονται, σε μεγάλο βαθμό, με τα χημικά είδη που είναι παρόντα στην επιφάνεια. Μία πολύ σημαντική ιδιότητα της επιφάνειας είναι η συμπεριφορά της όταν βραχεί, που σημαίνει, πώς το νερό αλληλεπιδρά με την επιφάνεια. Αυτή η ιδιότητα σχετίζεται με τις τερματικές ομάδες των μορίων στη διεπαφή της επιφάνειας, οι οποίες μπορεί να είναι είτε υδρόφιλες (αγαπούν το νερό) ή υδρόφοβες (μισούν το νερό). Σκεφθείτε τι συμβαίνει όταν βάζετε λάδι στο νερό το λάδι έχει την τάση να συσσωματώνεται, να σχηματίζει μία μεγάλη σταγόνα, που στέκεται στην επιφάνεια του νερού. Αυτό γίνεται γιατί το νερό είναι υδρόφιλο αλλά το λάδι είναι υδρόφοβο. Τα δύο υγρά προσπαθούν να ελαχιστοποιήσουν την επαφή τους. Page 1 of 8
Μία από τις μεθόδους προσδιορισμού της ποσότητας συμπεριφοράς ύγρανσης μίας επιφάνειας, είναι να μετρήσουμε την γωνία επαφής (ΓΕ). Η γωνία επαφής είναι η γωνία στην οποία η διεπιφάνεια ενός υγρού/ατμού συναντά την στερεή επιφάνεια, όπως απεικονίζεται στην Εικόνα 1. Η γωνία επαφής παρέχει πληροφορίες για την ενέργεια της αλληλεπίδρασης μεταξύ της επιφάνειας και του υγρού. Η γωνία επαφής θ μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας ένα όργανο που ονομάζεται Εικόνα 1. Μέτρηση γωνίας στατικής επαφής μίας σταγόνας νερού, που επικάθεται σε μία επίπεδη στερεή επιφάνεια. (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: inano, Aarhus University, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0) γωνιόμετρο γωνίας επαφής. Αυτή είναι η στατική μέτρηση των γωνιών επαφής. Μία σταγόνα νερού τοποθετείται στην επιφάνεια υπό διερεύνηση, και η γωνία θ υπολογίζεται είτε χειροκίνητα ή, με μοντέρνα όργανα, ψηφιακά, απαθανατίζοντας μία ψηφιακή εικόνα και χρησιμοποιώντας το ειδικό λογισμικό. Εικόνα 2. Ένα γωνιόμετρο γωνίας επαφής με ικανότητες ψηφιακής μέτρησης. (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: inano, Aarhus University, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0) Οι επιφάνεις μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με την γωνία επαφής τους όπως απεικονίζεται στον παρακάτω πίνακα. Τιμή της γωνίας Τύπος επιφάνειας Παράδειγμα επαφής ~0 Υπερ-υδρόφιλη TiO 2 με ακτινοβολίες UV < 30 Υδρόφιλη Γυαλί 30-90 Ενδιάμεση* Αλουμίνιο 90-140 Υδρόφοβη Πλαστικό 140> Υπερ-υδρόφοβη Φύλλο νούφαρου * Αν η τιμή προσεγγίζει το 30 προσδιορίζεται ως υδρόφιλη, αν προσεγγίζει το 90 προσδιορίζεται ως υδρόφοβη Page 2 of 8
Υδρόφιλη σημαίνει ότι αγαπάει το νερό, και υδρόφοβη σημαίνει ότι μισεί το νερό. Όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία επαφής, τόσο περισσότερο υδρόφοβη είναι μία επιφάνεια. Σκεφθείτε τι συμβαίνει όταν βάλετε νερό σε ένα κομμάτι γυαλί: η σταγόνα νερού θα εξαπλωθεί σε ολόκληρο το γυαλί και η γωνία επαφής θα προσεγγίζει το 0. Η σταγόνα νερού θα είναι τόσο επίπεδη, ώστε ο υπολογισμός της ΓΕ είναι πραγματικά δύσκολος. Στις περισσότερες υδρόφιλες επιφάνειες, οι σταγόνες νερού θα εμφανίσουν γωνίες επαφής μεταξύ 0 and 30. Αν η σταγόνα τοποθετηθεί σε λιγότερο ισχυρά υδρόφιλα στερεά, όπως ένα κομμάτι μέταλλο, θα έχει μία γωνία επαφής έως 90 ή μεγαλύτερη ανάλογα με το υλικό. Οι υψηλά υδρόφιλες επιφάνειες έχουν γωνίες επαφής με το νερό τόσο υψηλές όσο 150 ή ακόμη και περίπου 180. Αυτές οι επιφάνειες ονομάζονται υπερ-υδρόφοβες. Σε αυτές τις επιφάνειες, οι σταγόνες νερού απλά ακουμπούν στην επιφάνεια, χωρίς στην πραγματικότητα να την βρέχουν σε σημαντική έκταση. Οι επιφάνειες με νανο-δομές τείνουν να έχουν πολύ υψηλές γωνίες επαφής, οι οποίες μπορούν να αγγίξουν το υπερ-υδρόφοβο επίπεδο. Αυτό γίνεται κατανοητό αν φανταστούμε ότι μία επιφάνεια με νανο-τραχύτητα σχηματίζεται από μία σειρά πολύ μικρών πυλώνων. Όταν μία σταγόνα είναι ακίνητη σε αυτό το χαλάκι πυλώνων είναι σε επαφή με μία μεγάλη ποσότητα αέρα. Αν σκεφτούμε την ιδανική περίπτωση μίας μοναδικής σταγόνας νερού στον αέρα, θα έχει μία συνολική σφαιρική μορφή (θ = 180). Για μία σταγόνα νερού σε μία επιφάνεια με μεγάλη ποσότητα αέρα, όσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα, τόσο πλησιάζουμε σε αυτή την ιδανική κατάσταση. 2. ΜΑΘΑΙΝΟΝΤΑΣ ΑΠΟ ΤΗ ΦΥΣΗ: ΤΟ LOTUS EFFECT Επιστήμονες υλικών χρησιμοποίησαν για πολύ καιρό διάφορα χημικά, για να τροποποιήσουν τις ιδιότητες ποικίλων επιφανειών. Σκεφθείτε τα μεταλλικά σκεύη κουζίνας όπως ένα τηγάνι: μία στρώση Teflon, το οποίο είναι είδος πλαστικού, προστίθεται στην μεταλλική επιφάνεια του τηγανιού ώστε αυτό να γίνει αντικολλητικό. Η χημεία της επιφάνειας μπορεί, ωστόσο, να χρησιμοποιηθεί μόνο για τη δημιουργία υδρόφοβων επιφανειών. Για να φθάσουμε στην κατάσταση της υπερ-υδροφοβίας, είναι απαραίτητο να παρεμβληθεί η τοπογραφία στην επιφάνεια, όπως ένα μίκρο- ή νανο-πρότυπο. Ωστόσο, η χημεία της επιφάνειας μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για τη δημιουργία υδρόφοβων επιφανειών. Η Υπερυδροφοβία είναι μία ιδιότητα επιφάνειας, που βρίσκουμε στη φύση, για παράδειγμα, σε μερικά φύλλα, όπως τα φύλλα νούφαρου, και σε μερικά ζώα, όπως στα πόδια των εντόμων νεροπερπατητές. Page 3 of 8
Εικόνα 3. Δύο παραδείγματα φυσικών υλικών που εμφανίζουν το φαινόμενο του νούφαρου: (αριστερά) ένας νεροπερπατητής (Image: Izabela Raszkova, Wiki commons, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0); (δεξιά): ένα φύλλο νούφαρου (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: inano, Aarhus University, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0). Πώς λειτουργεί; Το νούφαρο (Nelumbo Nucifera) είναι ένα ενδημικό Ασιατικό φυτό, το οποίο έχει τη χαρακτηριστική ιδιότητα να έχει ιδιαίτερα καθαρά φύλλα, ακόμη και αν ο φυσικός βιότοπός του είναι λασπώδης. Γι αυτό το λόγο θεωρείται σύμβολο αγνότητας. Τα φύλλα του νούφαρου έχουν το εντυπωσιακό χαρακτηριστικό του να απωθούν εντελώς το νερό επειδή είναι υπερ-υδρόφοβα. Η συνέπεια είναι ότι οι σταγόνες του νερού κυλούν στην επιφάνεια του φύλλου, τραβώντας έτσι όλους τους ρύπους μακριά από το φύλλο. Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται αυτο-καθαρισμός, καθιστά το φύλλο του νούφαρου καθαρό και ανθεκτικό στους ρύπους. Το ίδιο φαινόμενο το βρίσκουμε και σε άλλα φύλλα, όπως εκείνα του νεροκάρδαμου και σε κάποια Canas. Πώς αυτό είναι νάνο; Εικόνα 4. (Αριστερά) Ένα νεροκάρδαμο (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: Wiki commons, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0) και (δεξιά) μία σταγόνα νερού που στέκεται στην επιφάνεια ενός φύλλου νεροκάρδαμου. (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: A. Otten and S. Herminghaus, Göttingen, Germany, NISE Network, ανατυπώθηκε υπό τους όρους και τις προϋποθέσεις NISE). Λεπτομερής ανάλυση SEM φύλλων, που εμφανίζουν το φαινόμενο του νούφαρου, αποκάλυψε την παρουσία νανο-κρυστάλλων κεριού στην επιφάνεια του φύλλου. Αυτά τα κρύσταλλα παρέχουν ένα στρώμα που απωθεί το νερό, το οποίο ενισχύεται από την τραχύτητα της επιφάνειας, κάνοντάς την μία υπερ-υδρόφοβη επιφάνεια, με μία γωνία επαφής περίπου 150. Το αποτέλεσμα είναι ότι τα σταγονίδια νερού, που διασυνδέονται με ένα τέτοιο φύλλο, είναι σε επαφή με μία μεγάλη ποσότητα αέρα. Αυτό αναγκάζει το νερό να γίνει σταγόνα και να κυλήσει μακριά. Η παρακάτω εικόνα δείχνει την προοδευτική μεγέθυνση ενός φύλλου νεροκάρδαμου. Στην τελευταία εικόνα, στη δεξιά πλευρά, εμφανίζονται νανο-κρύσταλλα μεγέθους μερικών δεκάδων νανο-μετρων. Page 4 of 8
A B C D Εικόνα 5. Κοντινές απόψεις μίας προοδευτικής μεγέθυνσης φύλλων νεροκάρδαμου, όπου αποκαλύπτει την παρουσία νανο-κρυστάλλων στην επιφάνεια (τελευταία εικόνα στα άκρα δεξιά). (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό (A): A. Snyder, Exploratorium; (B, C): A. Marshall, Stanford University, (D): A. Otten και S. Herminghaus, Göttingen, Γερμανία. Όλες οι εικόνες είναι υλικό του NISE Network, που ανατυπώθηκαν υπό τους όρους και τις προϋποθέσεις του NISE network.) Μολυσματικοί παράγοντες στην επιφάνεια (συνήθως μεγαλύτεροι από την κυτταρική δομή των φύλλων), επικάθονται στις άκρες της τραχιάς επιφάνειας. Όταν ένα σταγονίδιο νερού κυλά πάνω από τον μολυσματικό παράγοντα, αφαιρεί το σωματίδιο από την επιφάνεια του φύλλου (Εικόνα 6). Εικόνα 6. (Επάνω) Συνοπτικό διάγραμμα της σύνδεσης μεταξύ τραχύτητας και αυτο-καθαρισμού: στην επάνω εικόνα ένα σταγονίδιο εικόνας αφαιρεί τον ρύπο από την επιφάνεια, χάρη στο Φαινόμενο του Νούφαρου (κάτω): Γραφική αναπαράσταση των μολυσματικών παραγόντων και των σταγονιδίων νερού σε ένα φύλλο νούφαρου (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: William Thielike, Wiki Commons, Creative Commons ShareAlike 3.0.) Page 5 of 8
ΝΕΑ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΟΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ Το Lotus Effect έχει αποτελέσει έμπνευση για αρκετά καινοτόμα υλικά, όπως χρωστικές ουσίες, επιχρίσματα και υφάσματα. Η πραγματοποίηση της απώθησης του νερού, που ορισμένες ιδιότητες της επιφάνειας μπορούν να επιφέρουν, είναι σημαντική σε πολυάριθμες εφαρμογές. Οι υλικοί επιστήμονες σχεδιάζουν τώρα πολλούς τύπους υλικών και τους καθιστούν υπερ-υδρόφοβους. Οι βασικοί τομείς εφαρμογών είναι: - Φιλικά προς το περιβάλλον επιχρίσματα και υφάσματα, που απωθούν τους ρύπους και απαιτούν λιγότερο καθαρισμό. Αυτό περιλαμβάνει υλικά όπως χρώματα για προσόψεις, υφάσματα (συμπεριλαμβανομένου του προσωπικού ιματισμού) και υγιεινά επιστρώματα. Σε όλα αυτά τα υλικά, το επιπρόσθετο πλεονέκτημα είναι ότι απαιτείται λιγότερο καθάρισμα (συνεπώς λιγότερα απορρυπαντικά και σπατάλη νερού), με ένα επακόλουθο όφελος για το περιβάλλον. - Βελτίωση της απόδοσης των ηλιακών κυττάρων (εφαρμογή ενέργειας). Ένα από τα προβλήματα με αυτή την τεχνολογία, είναι ότι παραμένουν στην ύπαιθρο και, επομένως, μπορεί να γίνουν πολύ βρώμικα. Αυτό το στρώμα ρύπου καλύπτει τις καταλυτικές περιοχές των ηλιακών κυττάρων και συνεπώς μειώνει την αποτελεσματικότητα και το χρόνο ζωής τους. Επενδύοντας την φωτοβολταϊκή μονάδα με ένα υπερ-υδρόφοβο επίστρωμα, αυτή διατηρείται σημαντικά καθαρότερη. Λόγω της τραχύτητας της νανο-επιφάνειας, το επίστρωμα είναι διαφανές στο φως UV, μία αναγκαιότητα γι αυτον τον τύπο συσκευών. Το υπερ-υδρόφοβο επίστρωμα είναι επίσης ανθεκτικότερο, κάτι που βελτιώνει περαιτέρω το χρόνο ζωής της φωτοβολταϊκής μονάδας. Αυτοί δεν είναι οι μόνοι τομείς εφαρμογών. Μία άλλη πολύ σημαντική εφαρμογή είναι ο τομέας της νανο-ιατρικής, όπου ο νανο-σχεδιασμός υπερ-υδρόφοβων επιφανειών χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της τεχνολογίας microarray ΠΡΟΙΟΝΤΑ ΠΟΥ ΕΞΕΤΑΖΟΝΤΑΙ ΣΕ ΑΥΤΗ ΤΗΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: 1. NANO-TEX. Υπάρχουν πολλές περιπτώσεις όπου η αποφυγή ύγρανσης μίας επιφάνειας αποτελεί πλεονέκτημα, όπως για παράδειγμα στα υφάσματα, τα οποία λεκιάζονται συνήθως από υγρά (χυμούς, καφέ, κ.λπ) και από στερεά (μουστάρδα, κέτσαπ, κ.λπ). Κάποιες εταιρίες, όπως η Nano-Tex, Inc. εμπορευματοποιούν τώρα υφάσματα, τα οποία έχουν σχεδιαστεί να προσδίδουν υπερ-υδρόφοβες ιδιότητες στα υφάσματά τους (Εικόνα 7). Αυτό το αποτέλεσμα, επιτυγχάνεται από την παρουσία των νανο-ταξινομημένων μουστακιών στην επιφάνεια των ινών που αποτελούν το ύφασμα. Page 6 of 8
Σε αυτή την πειραματική ενότητα, θα αναλύσετε και θα εξετάσετε ένα υπερυδρόφοβο ύφασμα της Nano-Tex, Inc. και θα το συγκρίνετε με ένα πραγματικό φύλλο νούφαρου. Θα λεκιάσετε ένα κομμάτι υφάσματος χρησιμοποιώντας υγρά και στερεά (όπως κέτσαπ, μουστάρδα, κ.λπ) Εικόνα 7. Λέκιασμα με υγρό σε ένα ύφασμα Nano-Tex. (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: ευγενής παραχώρηση της εικόνας από τη Nano-Tex, Inc., Copyright Nano-Tex. Inc) Πώς λειτουργεί; Το ύφασμα Nano-Tex έχει σχεδιαστεί έτσι, ώστε να μιμηθεί το Lotus Effect. Αυτό επιτυγχάνεται με έναν μεγάλο αριθμό πολύ μικρών καρφιτσών ή μουστακιών στην επιφάνεια των ινών. Συνεπώς, το ύφασμα δεν περιέχει ένα επίστρωμα επιφάνειας (το οποίο θα μπορεί να αφαιρεθεί με το πλύσιμο ή την εφίδρωση), αλλά οι ίνες έχουν νανο-σχεδιαστεί. Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό, το οποίο είναι υπερ-υδρόφοβο, όπως απεικονίζεται από τη γωνία επαφής που μετρήθηκε και εμφανίζεται στην Εικόνα 8. Παρατίθεται για σύγκριση μία εικόνα της γωνίας επαφής ενός φύλλου νούφαρου. NANO-TEX LOTUS Εικόνα 8. Αριστερά: Εικόνες υψηλής ανάλυσης του υφάσματος Nano-Tex (ευγενής παραχώρηση των εικόνων από την Nano-Tex, Inc., Copyright Nano-Tex. Inc). Δεξιά: εικόνες γωνίας επαφής σταγονιδίων νερού σε ύφασμα Nano-Tex fabric και σε φύλλο νούφαρου (Εικόνες: inano; Aarhus University, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0). Page 7 of 8
2. ΠΟΡΩΔΗΣ ΣΙΛΙΚΟΝΗ Το δεύτερο υλικό που αναλύεται σε αυτό το πείραμα είναι ένα υλικό υπό έρευνα στο inano, σε συνεργασία με το Lund University, το οποίο έχει κατασκευαστεί από πορώδη σιλικόνη. Θα δείτε τη συμπεριφορά αυτού του υλικού μέσω βίντεο. Όπως αναφέρεται παραπάνω, οι επιφάνειες (ή τα υφάσματα), που έχουν σχεδιαστεί να είναι υπερυδρόφοβα, αποτελούνται από πολύ μικρές καρφίτσες ή μουστάκια, τα οποία είναι εμπνευσμένα από τη μικροδομή του φύλλου του νούφαρου. Η πορώδης υφή και το διάστημα αυτής της άρτιας δομής προσδιορίζει τις υγραντικές ιδιότητες του υλικού. Το υλικό, που προβάλλεται στο βίντεο, έχει γωνία επαφής 167. Το υπερ-υδρόφοβο αποτέλεσμα προκύπτει από την ιδιαίτερη μικρο/νανο-υφή αυτής της επιφάνειας. Σε αυτό το πείραμα θα δείτε, μέσω βίντεο, πώς η πορώδης σιλικόνη συγκρίνεται με ένα πραγματικό φύλλο νούφαρου, όσον αφορά την ύγρανση. Εικόνα 9. Εικόνες από το NANOYOU Video 4- Lotus Effect-Part 2 που δείχνουν τις υγραντικές ιδιότητες ενός κομματιού πορώδους σιλικόνης (αριστερά) και το πώς αυτό το υλικό συγκρίνεται με ένα πραγματικό φύλλο νούφαρου (δεξιά). (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: inano, Aarhus University, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0). ΥΠΟΜΝΗΣΗ: Αυτό το πείραμα έχει εν μέρει προσαρμοστεί από τη δραστηριότητα Εφαρμογή: Nano-Tex, http://mrsec.wisc.edu/edetc/ipse/educators/nanotex.html. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ: Ευχαριστούμε τη Nano-Tex, Inc. για την ευγένειά της να μας παρέχει ένα κομμάτι από το ύφασμα Nano-Tex textile (ανθεκτικό στις διαρροές), και για την παροχή των εικόνων αυτού του υλικού. Page 8 of 8