Российские учёные объяснили супергидрофобные свойства покрытия из бор-нитридных нанотрубок

Плёнки нитрида бора обладают гидрофильными свойствами и хорошо смачиваются водой, в то время как покрытия на основе нанотрубок, изготовленных из того же материала, наоборот, проявляют гидрофобные свойства. Каким образом материал, который в обычном состоянии прекрасно смачивается водой, становится водоотталкивающим? На этот вопрос отвечают российские учёные в своей работе, опубликованной в последнем номере журнала «Российские нанотехнологии».

 Источник фото: narod.ru

Разработка покрытий с высокими гидрофобными свойствами имеет огромное практическое значение. Такие водоотталкивающие покрытия помогут эффективно бороться с коррозией, создавать самоочищающиеся поверхности и предотвращать обледенение различных частей машин и конструкций. В общем случае смачиваемость материала водой зависит от его поверхностной энергии: чем меньше поверхностная энергия материала, тем хуже он пропитывается водой. Капельки воды на гидрофобной поверхности, обладающей низкой поверхностной энергией, стремятся принять форму идеальной сферы и без труда скатываются с неё, тогда как на гидрофильной, у которой поверхностная энергия высокая, вода равномерно растекается по площади.

Однако в последние годы появились работы, в которых говорится о возможности создания супергидрофобных покрытий на основе материалов с высокой поверхностной энергией. Из подобного материала состоит и исследованное учёными Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина покрытие на основе нанотрубок нитрида бора. Бор-нитридные нанотрубки считаются материалом, чрезвычайно привлекательным для разных областей нанотехнологии, поскольку они характеризуются химической стойкостью и механической прочностью.

В своих опытах исследователи изучали три типа покрытий, нанесённых на кремниевую подложку. Первый тип представлял собой плоскую плёнку нитрида бора, а два других – нанесённые методом химического осаждения из паров нанотрубки из того же материала. Причём последние два покрытия различались лишь по размерам полученных нанотрубок: в одном случае были короткие (порядка 500 нм.), в другом длинные (более 10 мкм.) нанотрубки.

Обычная плёнка нитрида бора, нанесённая на кремниевую подложку, обладает высокой поверхностной энергией и, как показали опыты, хорошо смачивается водой, в то время как покрытие из нанотрубок обоих типов показывает отличные гидрофобные свойства. Именно это необычное явление натолкнуло учёных на поиски механизма возникновения гидрофобности.

Первым предположением исследователей было то, что за возникновение гидрофобных свойств ответственна кривизна и шероховатость поверхности покрытия из нанотрубок. Как показали опыты и проводимые ранее исследования, кривизна поверхности, несомненно, влияет на гидрофобные свойства в пользу их увеличения, однако она не выступает единственной и основной причиной повышения гидрофобности поверхности.

Ещё одной причиной возрастания гидрофобных свойств покрытия из нанотрубок может быть адсорбция углеводородных загрязнений на поверхность. Углеводороды сами по себе – гидрофобные вещества, и при соединении с поверхностью нанотрубок они должны уменьшать её поверхностную энергию. Действительно, исследование химического состава покрытия показало наличие этих соединений, а после удаления углеводородов с подложки с помощью термообработки или плазмы поверхность приобретала уже гидрофильные свойства. Более того, при выдерживании обработанной гидрофильной подложки на воздухе, она снова становилась высокогидрофобной за счёт повторной адсорбции углеводородов.

Прояснение механизма возникновения уникальной способности покрытий с бор-нитридными нанотрубками самопроизвольно восстанавливать высокогидрофобное состояние может найти применение при создании новых материалов, смачивание которых может циклически изменяться при внешних воздействиях.

Исследование поддержано программами фундаментальных исследований № 7 и № 22 президиума РАН.

Источник информации:

А.Д. Алиев, Л.Б. Бойнович, В.Л. Буховец, А.М. Емельяненко, А.М. Горбунов, А.Е. Городецкий, А.С. Пашинин «Супергидрофобные покрытия на основе нанотрубок нитрида бора: механизм супергидрофобности и самовосстановление высокогидрофобных свойств». Российские нанотехнологии, 2011, т. 6, № 9-10.