Vědci vyvinuli revoluční povrch, který odolá i horkým tekutinám

Vědci ve Spojených státech vyvinuli vícevrstvý izolovaný superhydrofobní (MISH) povlak, který odpuzuje téměř vroucí vodu, horké mléko, kávu a polévku z hrachu, čímž pomáhá povrchům zůstat nelepivými i při vysokých teplotách.

Vědci z Rice University přišli s rychlým řešením pro superhydrofobní povrchy experimentováním s tepelným tokem materiálu namísto zaměření se pouze na jeho chemii a texturu.

Superhydrofobní povrchy jsou vysoce vodoodpudivé. Napodobují lotosový list a způsobují, že kapky vody sklouznou i při mírném náklonu. Horká voda však zůstává jejich hlavní slabinou.

Když teploty dosáhnou 40 stupňů Celsia, mnoho z těchto povlaků náhle ztrácí své vodoodpudivé schopnosti. Místo aby horké kapky sklouzly, začnou se přichytávat a pronikat do textury povrchu, zanechávajíce mokré skvrny.

K vyřešení tohoto problému tým navrhl povlak, který odpuzuje vodu i při kapkách blížících se 90 stupňům Celsia. Design MISH se skládá z dvouvrstvého systému. Ten zahrnuje izolační podkladovou vrstvu (nástřiková polyuretanová pěna) a mikrotexturovaný superhydrofobní vrchní nátěr (komerčně dostupný nástřikový povlak).

Podkladová vrstva zpomaluje přenos tepla z kapky do povrchu. Zabraňuje rychlému cyklu odpařování-kondenzace, který obvykle ničí zachycené vzduchové kapsy zodpovědné za vodoodpudivost.

Izolační vrstva snižuje ochlazování horké kapky na rozhraní, což zase snižuje cykly odpařování a rekondenzace, které obvykle zaplavují texturu povrchu kondenzátem, uvedl Daniel J. Preston, PhD, docent mechanického inženýrství na Rice University a korespondující autor studie.

Méně kondenzátu v textuře povrchu znamená méně kapalných můstků, což zachovává odpudivost, dodal Preston. Bez těchto kondenzačních můstků i téměř vroucí kapky nadále kloužou.

Rozvedl, že tento úkol byl dříve obtížný a mohl stát až 4000krát více než jejich metoda. "Také jsme ukázali, že to funguje mimo laboratoř v reálných situacích na velkých i zakřivených površích, od potrubí přes misky až po průmyslové vybavení," poznamenal Preston.

Vědci podrobili vzorky povlaku týdennímu bombardování horkými kapkami, téměř dva miliony dopadů. Tradiční povlaky se rozpadly téměř okamžitě.

Mezitím povrchy MISH, zejména ty s tlustší izolací, udržely odpudivost déle než 80 hodin, tedy asi milion dopadů, než se postupně začaly degradovat.

Podle výzkumníků slabým článkem nebyl koncept, ale běžně dostupný vrchní nátěr. Izolační strategie zůstala neporušená, což naznačuje, že budoucí verze by mohly s odolnějšími vnějšími vrstvami vydržet ještě déle.

Vědci také stříleli horké vodní trysky na povlaky, aby napodobili postříkání a nepřetržité vystavení. Obrazový kredit: Rice University.

Aby dokázali škálovatelnost konceptu mimo laboratoř, tým aplikoval povlak na velké kovové desky, zakřivené trubky a běžné kuchyňské tekutiny, jako je horké mléko, káva a dokonce i polévka z hrachu. Tyto tekutiny zanechaly na površích ošetřených MISH méně než jedno procento zbytků. V porovnání zanechaly na standardních povlacích více než 31 procent.

"Jsme nadšeni z potenciálních aplikací tohoto přístupu, ale je zde také prostor pro další zlepšení," uvedl Preston. Tým nyní zkoumá odolnější a tepelně stabilnější vrchní vrstvy, stejně jako architektury povlaků, které jdou nad rámec jednoduchých nástřikových metod.

"Jakmile dokážete zabránit přilnavosti horkých tekutin, mnoho následných problémů začne mizet," uzavřel Preston v tiskové zprávě. "To dělá tuto metodu vzrušující; otevírá dveře k povrchům, které se chovají tak, jak jsme je navrhli, i za drsných podmínek."

Studie byla publikována v časopise ACS Applied Materials Interfaces.