Версия для печати
Вернуться к списку

УЧЕНЫЕ ТПУ НАУЧИЛИСЬ БЫСТРО УПРАВЛЯТЬ СМАЧИВАЕМОСТЬЮ МАТЕРИАЛА И ЗАСТАВИЛИ ЕГО САМООЧИЩАТЬСЯ

Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Чехии (Университет химии и технологии, Прага) предложили новую концепцию управления жидкостями на поверхности материалов. Ученым удалось добиться, чтобы один и тот же материал очень быстро (в пределах семи секунд) мог становиться супергидрофобным, а затем гидрофильным. Скорость такого ответа на внешнее воздействие — это одно из ключевых преимуществ метода по сравнению с аналогами. Одновременно ученым впервые удалось управлять и прилипанием капель к поверхности. Обнаруженные эффекты могут использоваться для управления жидкостями в микрофлюидных устройствах. Кстати, полученные материалы могут самоочищаться. Результаты исследования опубликованы в престижном журнале ACS Applied Materials & Interfaces (IF 8,097; Q1).

«Одной из ключевых задач современной химической технологии сегодня является создание так называемых умных материалов. Умные они потому, что могут отвечать на внешние раздражители и изменять свои свойства. И важнейшее направление здесь — управление смачиваемостью материалов. У таких материалов широчайшая область применения — например, в микрофлюидных устройствах для химических, биомедицинских анализов, экологического мониторинга. Конечно, такие методы существуют, но их главный недостаток — скорость. Материал отвечает на импульс — скажем, свет — в течение нескольких минут. Нам же впервые удалось добиться практически моментального ответа, соединив физические и химические методы», — рассказывает один из авторов статьи, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников.

Авторы статьи работали с двумя распространенными полимерными материалами: PVDF и PMMA. PMMA — это обычное оргстекло, а PVDF — материал со свойствами, схожими с тефлоном. Композит на их основе был выбран, так как обладает пьезоэлектрическими свойствами — способен растягиваться или сжиматься под действием тока. Исследователи решили работать не с поверхностью полимеров, а модифицировать их на уровне волокон.

«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. И здесь важно, что мы работаем со смачиваемостью не на уровне поверхности, а на уровне каждого волокна», — поясняет Павел Постников.

К получившимся материалам ученые подводят электроды. Как только подается ток, материал тут же меняет свои свойства. Так, в супергидрофобном состоянии достаточно наклонить пластинку материала на три градуса, чтобы капля с нее скатилась. Степень гидрофобности зависит от напряженности электрического поля. Причем такие эффекты ученые наблюдали не только с водой, но и с лиофильными растворителями. По словам авторов, это говорит о том, что этот метод подходит для широкого спектра жидкостей.

«И еще одно очень важное свойство — поверхность материала является самоочищающейся. Если мы ее загрязнили какими-то веществом, потом капаем буквально несколько капель растворителя или воды, частицы грязи переходят в воду и скатываются, абсолютно не прилипая к поверхности, и она становится совершенно чистой», — говорит ученый.

Также ученым впервые удалось управлять адгезией капель, то есть способностью капель сцепляется с твердой поверхностью.

«Под действием электрического поля капля сильно прижимается к поверхности. Можно даже перевернуть пластинку, а капля все равно останется на ней. Это говорит о том, что, управляя смачиваемостью и адгезией, то есть изменяя напряженность поля, включая и выключая ток, меняя наклон материала, мы можем управлять каплей, заставлять ее двигаться в нужном направлении. Как уже говорилось, это актуально для микрофлюидных технологий, а также, например, для создания биосенсоров», — говорит Павел Постников, уточняя, что проект был поддержан Российским научным фондом.