base di conoscenza
CTRL+F per cercare la tua parola chiave

idrofobo

idrofobo
Una molecola o superficie che non ha attrazione per l'acqua

In chimica, l' idrofobicità è la proprietà fisica di una molecola (nota come idrofobia ) che sembra essere respinta da una massa d'acqua. (A rigor di termini, non vi è alcuna forza repulsiva coinvolta; è un'assenza di attrazione.) Al contrario, gli idrofili sono attratti dall'acqua.

Le molecole idrofobiche tendono ad essere non polari e, quindi, preferiscono altre molecole neutre e solventi non polari. Poiché le molecole di acqua sono polari, gli idrofobi non si dissolvono bene tra loro. Le molecole idrofobe nell'acqua spesso si raggruppano, formando micelle. L'acqua su superfici idrofobiche presenterà un angolo di contatto elevato.

Esempi di molecole idrofobiche includono alcani, oli, grassi e sostanze grasse in generale. I materiali idrofobici vengono utilizzati per la rimozione dell'olio dall'acqua, la gestione delle fuoriuscite di petrolio e i processi di separazione chimica per rimuovere le sostanze non polari dai composti polari.

L'idrofobo è spesso usato in modo intercambiabile con lipofilo, "amante dei grassi". Tuttavia, i due termini non sono sinonimi. Mentre le sostanze idrofobe sono generalmente lipofile, ci sono eccezioni, come i siliconi e i fluorocarburi.

Il termine idrofobo deriva dal greco antico ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), "avendo un orrore dell'acqua", costruito dal greco antico ὕδωρ (húdōr) , che significa "acqua", e dal greco antico φόβος (phóbos) , che significa "paura".

Sfondo chimico

L'interazione idrofobica è principalmente un effetto entropico originato dalla rottura dei legami idrogeno altamente dinamici tra le molecole di acqua liquida da parte del soluto non polare che forma una struttura simile al clato attorno alle molecole non polari. Questa struttura formata è molto più ordinata delle molecole di acqua libera a causa delle molecole di acqua che si organizzano per interagire il più possibile con se stesse, e quindi si traduce in uno stato entropico più elevato che provoca l'aggregazione di molecole non polari per ridurre la superficie esposta irrigare e ridurre l'entropia del sistema. Pertanto, le due fasi immiscibili (idrofile vs. idrofobo) cambieranno in modo che la loro corrispondente area interfacciale sia minima. Questo effetto può essere visualizzato nel fenomeno chiamato separazione di fase.

superhydrophobicity

Le superfici superidrofobiche , come le foglie della pianta del loto, sono estremamente difficili da bagnare. Gli angoli di contatto di una goccia d'acqua superano i 150 °. Questo è indicato come effetto loto ed è principalmente una proprietà fisica correlata alla tensione interfacciale, piuttosto che una proprietà chimica.

Teoria

Nel 1805, Thomas Young definì l'angolo di contatto θ analizzando le forze che agiscono su una goccia di fluido appoggiata su una superficie solida circondata da un gas.

γSG = γSL + γLGcos⁡θ {\ displaystyle \ gamma _ {\ text {SG}} \ = \ gamma _ {\ text {SL}} + \ gamma _ {\ text {LG}} \ cos \ theta \,}

dove

γSG {\ displaystyle \ gamma _ {\ text {SG}} \} = Tensione interfacciale tra solido e gas γSL {\ displaystyle \ gamma _ {\ text {SL}} \} = Tensione interfacciale tra solido e liquido γLG { \ displaystyle \ gamma _ {\ text {LG}} \} = Tensione interfacciale tra liquido e gas

θ può essere misurato utilizzando un goniometro ad angolo di contatto.

Wenzel ha stabilito che quando il liquido è in stretto contatto con una superficie microstrutturata, θ cambierà in θ W *

cos⁡θW ∗ = rcos⁡θ {\ displaystyle \ cos \ theta _ {W} * = r \ cos \ theta \,}

dove r è il rapporto tra l'area effettiva e l'area proiettata. L'equazione di Wenzel mostra che microstrutturare una superficie amplifica la tendenza naturale della superficie. Una superficie idrofobica (una che ha un angolo di contatto originale maggiore di 90 °) diventa più idrofoba quando microstrutturata - il suo nuovo angolo di contatto diventa maggiore dell'originale. Tuttavia, una superficie idrofila (una che ha un angolo di contatto originale inferiore a 90 °) diventa più idrofila quando microstrutturata - il suo nuovo angolo di contatto diventa inferiore all'originale. Cassie e Baxter hanno scoperto che se il liquido è sospeso sulle cime delle microstrutture, θ cambierà in θ CB *:

cos⁡θCB ∗ = φ (cos⁡θ + 1) −1 {\ displaystyle \ cos \ theta _ {\ text {CB}} * = \ varphi (\ cos \ theta +1) -1 \,}

dove φ è la frazione di area del solido che tocca il liquido. Il liquido nello stato Cassie – Baxter è più mobile che nello stato di Wenzel.

Possiamo prevedere se lo stato di Wenzel o Cassie – Baxter debba esistere calcolando il nuovo angolo di contatto con entrambe le equazioni. Riducendo al minimo l'argomento dell'energia libera, la relazione che predisse il nuovo angolo di contatto più piccolo è lo stato che ha più probabilità di esistere. Dichiarata in termini matematici, affinché esista lo stato di Cassie-Baxter, la seguente disuguaglianza deve essere vera.

cos⁡θ> φ − 1r − φ {\ displaystyle \ cos \ theta> {\ frac {\ varphi -1} {r- \ varphi}}}

Un recente criterio alternativo per lo stato Cassie – Baxter afferma che lo stato Cassie – Baxter esiste quando sono soddisfatti i seguenti 2 criteri: 1) Le forze della linea di contatto superano le forze corporee di peso gocciolina non supportato e 2) Le microstrutture sono abbastanza alte da impedire il liquido che impedisce alle microstrutture di toccare la base delle microstrutture.

Un nuovo criterio per il passaggio tra gli stati Wenzel e Cassie-Baxter è stato recentemente sviluppato sulla base della rugosità superficiale e dell'energia superficiale. Il criterio si concentra sulla capacità di intrappolare l'aria sotto goccioline liquide su superfici ruvide, che potrebbe dire se il modello di Wenzel o il modello di Cassie-Baxter dovrebbe essere usato per una certa combinazione di rugosità superficiale ed energia.

L'angolo di contatto è una misura dell'idrofobicità statica e l'isteresi dell'angolo di contatto e l'angolo di scorrimento sono misure dinamiche. L'isteresi dell'angolo di contatto è un fenomeno che caratterizza l'eterogeneità della superficie. Quando una pipetta inietta un liquido su un solido, il liquido formerà un angolo di contatto. Man mano che la pipetta inietta più liquido, la goccia aumenterà di volume, l'angolo di contatto aumenterà, ma il suo confine trifase rimarrà fermo fino a quando non avanza improvvisamente verso l'esterno. L'angolo di contatto che la gocciolina aveva immediatamente prima di avanzare verso l'esterno è definito angolo di contatto in avanzamento. L'angolo di contatto sfuggente viene ora misurato rimettendo il liquido fuori dalla gocciolina. La goccia diminuirà di volume, l'angolo di contatto diminuirà, ma il suo confine trifase rimarrà fermo fino a quando non si allontana improvvisamente verso l'interno. L'angolo di contatto che la goccia aveva immediatamente prima di retrocedere verso l'interno è definito angolo di contatto che si allontana. La differenza tra gli angoli di contatto avanzanti e sfuggenti è definita isteresi dell'angolo di contatto e può essere utilizzata per caratterizzare l'eterogeneità della superficie, la rugosità e la mobilità. Le superfici non omogenee avranno domini che impediscono il movimento della linea di contatto. L'angolo di scorrimento è un'altra misura dinamica di idrofobicità e viene misurata depositando una goccia su una superficie e inclinando la superficie fino a quando la goccia inizia a scivolare. In generale, i liquidi nello stato Cassie-Baxter presentano angoli di scorrimento inferiori e isteresi dell'angolo di contatto rispetto a quelli nello stato di Wenzel.

Ricerca e sviluppo

Nel 1964 Dettre e Johnson scoprirono che il fenomeno dell'effetto del loto superidrofobico era correlato a ruvide superfici idrofobiche e svilupparono un modello teorico basato su esperimenti con perle di vetro rivestite con paraffina o telomero TFE. La proprietà autopulente delle superfici micro-nanostrutturate superidrofobiche è stata segnalata nel 1977. Sono stati sviluppati perfluoroalchile, perfluoropolietere e materiali superidrofobici a forma di plasma RF, utilizzati per elettro-settaggio e commercializzati per applicazioni biomedicali tra il 1986 e il 1995. Altre tecnologie e applicazioni hanno è emerso dalla metà degli anni '90. Nel 2002 è stata descritta una composizione gerarchica superidrofobica resistente, applicata in una o due fasi, comprendente particelle di dimensioni nanometriche ≤ 100 nanometri che si sovrappongono a una superficie avente caratteristiche di dimensioni micrometriche o particelle ≤ 100 micrometri. Le particelle più grandi sono state osservate per proteggere le particelle più piccole dall'abrasione meccanica.

In una ricerca recente, la superidrofobicità è stata segnalata consentendo al dimero di alchilchetene (AKD) di solidificarsi in una superficie frattale nanostrutturata. Da allora molti articoli hanno presentato metodi di fabbricazione per la produzione di superfici superidrofobiche, tra cui deposizione di particelle, tecniche di sol-gel, trattamenti al plasma, deposizione di vapore e tecniche di colata. L'attuale opportunità di impatto sulla ricerca risiede principalmente nella ricerca fondamentale e nella produzione pratica. Recentemente sono emersi dibattiti sull'applicabilità dei modelli Wenzel e Cassie – Baxter. In un esperimento progettato per sfidare la prospettiva dell'energia superficiale del modello Wenzel e Cassie – Baxter e promuovere una prospettiva della linea di contatto, le gocce d'acqua sono state posizionate su un punto idrofobo liscio in un campo idrofobo ruvido, un punto idrofobo ruvido in un campo idrofobo liscio, e un punto idrofilo in un campo idrofobo. Gli esperimenti hanno dimostrato che la chimica della superficie e la geometria sulla linea di contatto hanno influenzato l'angolo di contatto e l'isteresi dell'angolo di contatto, ma l'area della superficie all'interno della linea di contatto non ha avuto alcun effetto. È stato anche proposto un argomento secondo cui un aumento della dentellatura nella linea di contatto migliora la mobilità delle goccioline.

Molti materiali idrofobici trovati in natura si basano sulla legge di Cassie e sono bifasici a livello submicrometrico con aria monocomponente. L'effetto loto si basa su questo principio. Ispirato da esso, sono state preparate molte superfici superidrofobiche funzionali.

Un esempio di materiale superidrofobico bionico o biomimetico nella nanotecnologia è il film di nanopina.

Uno studio presenta una superficie di pentossido di vanadio che cambia in modo reversibile tra superidrofobicità e superidrofilicità sotto l'influenza delle radiazioni UV. Secondo lo studio, qualsiasi superficie può essere modificata in tal senso mediante l'applicazione di una sospensione di particelle V2O5 simili a rose, ad esempio con una stampante a getto d'inchiostro. Ancora una volta l'idrofobicità è indotta da sacche d'aria interlaminari (separate da distanze di 2,1 nm). Viene anche spiegato l'effetto UV. La luce UV crea coppie elettrone-buco, con i fori che reagiscono con l'ossigeno reticolare, creando vuoti di ossigeno superficiale, mentre gli elettroni riducono V5 + a V3 +. I vuoti di ossigeno sono soddisfatti dall'acqua, ed è proprio l'assorbimento dell'acqua dalla superficie del vanadio che lo rende idrofilo. A causa di un prolungato stoccaggio al buio, l'acqua viene sostituita dall'ossigeno e l'idrofilia viene nuovamente persa.

Una maggioranza significativa di superfici idrofobiche hanno le loro proprietà idrofobe impartite da modifiche strutturali o chimiche di una superficie di un materiale sfuso, attraverso rivestimenti o trattamenti superficiali. Vale a dire, la presenza di specie molecolari (di solito organiche) o caratteristiche strutturali provoca alti angoli di contatto dell'acqua. Negli ultimi anni è stato dimostrato che gli ossidi di terre rare possiedono idrofobicità intrinseca. . L'idrofobicità intrinseca degli ossidi di terre rare dipende dall'orientamento della superficie e dai livelli di vuoto di ossigeno, ed è naturalmente più robusta rispetto ai rivestimenti o ai trattamenti superficiali, avendo potenziali applicazioni in condensatori e catalizzatori che possono funzionare ad alte temperature o ambienti corrosivi.

Applicazioni e potenziali applicazioni

Il calcestruzzo idrofobo è stato prodotto dalla metà del 20 ° secolo.

Ricerche recenti e attive su materiali superidrofobici potrebbero infine portare a più applicazioni industriali.

È stata descritta una semplice routine di rivestimento in tessuto di cotone con particelle di silice o titania mediante tecnica sol-gel, che protegge il tessuto dai raggi UV e lo rende superidrofobo.

È stata segnalata una routine efficiente per rendere il polietilene superidrofobo e quindi autopulente. —99% di sporco assorbito su tale superficie può essere facilmente rimosso.

Le superfici superidrofobiche modellate promettono anche dispositivi microfluidici lab-on-a-chip e possono migliorare drasticamente la bioanalisi basata sulla superficie.

Nei prodotti farmaceutici, l'idrofobicità delle miscele farmaceutiche influisce su importanti attributi di qualità dei prodotti finali, come la dissoluzione e la durezza dei farmaci. Sono stati sviluppati metodi per misurare l'idrofobicità dei materiali farmaceutici.