Icephobicity - Icephobicity

Icephobicity (z led a řecké φόβος phobos „strach“) je schopnost pevného povrchu odpuzovat led nebo zabránit tvorbě ledu v důsledku určité topografické struktury povrchu.[1][2][3][4][5] Slovo „icephobic“ bylo poprvé použito nejméně v roce 1950;[6] pokrok v mikrovzorovaných površích však od roku 2000 vyústil v rostoucí zájem o icefobicitu.

Icefobicita vs. hydrofobicita

Termín „icephobicity“ je podobný termínu hydrofobicita a další „-fobicity“ ve fyzikální chemii (oleofobicita, lipofobicita, všemocnost, amfifobicita, atd.). Icephobicity se liší od odmrazování a proti námraze vzhledem k tomu, že na rozdíl od povrchů proti námraze nevyžadují zmrzlé povrchy speciální ošetření nebo chemické povlaky, aby se zabránilo tvorbě ledu,[7][8][9][10][11]

Mezi hydrofobicita a icephobicity. The hydrofobicita je rozhodující pro „hydrofobní účinek " a hydrofobní interakce. Pro dvě hydrofobní molekuly (např. Uhlovodíky) umístěné ve vodě existuje účinná odpudivá hydrofobní síla, entropická ve svém původu, díky jejich interakci s vodným médiem. Hydrofobní účinek je zodpovědný za skládání bílkoviny a další makromolekuly vedoucí k jejich fraktální tvar. V průběhu ledový krystal (sněhová vločka ), dochází k synchronizaci růstu větví v důsledku interakce s médiem (přesycená pára ) - je něco podobného jako hydrofobní účinek - zjevné odpuzování hydrofobních částic v důsledku jejich interakce s médiem (vodou). V důsledku toho, navzdory tomu, že tvary sněhových vloček jsou velmi různorodé a „žádné dvě podobné vločky nejsou podobné“, většina sněhových krystalů je symetrická s každou ze šesti větví téměř totožnou s ostatními pěti větvemi. Navíc hydrofobicita i icefobicita mohou vést k poměrně složitým jevům, jako je např sebeorganizovaná kritičnost - řízená složitost v důsledku hydrofobních interakcí (během smáčení drsných / heterogenních povrchů nebo během skládání a smyčkování polypeptidového řetězce) nebo krystalizace ledu (fraktální sněhové vločky).[7]

Všimněte si, že termodynamicky jsou hydrofobní interakce i tvorba ledu poháněny minimalizací povrchu Gibbsova energie, ΔG = ΔH - TΔS, kde H, T a S jsou entalpie, teplota, a entropie, resp. Je to proto, že v hydrofobních interakcích převládá velká pozitivní hodnota TΔS nad malou pozitivní hodnotou ΔH, díky čemuž je spontánní hydrofobní interakce energeticky zisková. Směr takzvaného přechodu zdrsnění povrchu ledový krystal růst a nastává při kritické teplotě, nad kterou entropický příspěvek do Gibbsovy energie, TΔS, převažuje nad entalpickým příspěvkem, ΔH, čímž je energeticky výhodnější, aby byl ledový krystal spíše drsný než hladký. To naznačuje, že termodynamicky lze chápat jak ledofobní, tak hydrofobní chování jako entropické účinky.[7]

Icephobicity se však liší od hydrofobicita. Hydrofobicita je vlastnost, která je charakterizována kontaktním úhlem vody (CA) a mezifázovými energiemi rozhraní pevná látka-voda, pevná pára a vodní pára, a proto se jedná o termodynamickou vlastnost obvykle kvantitativně definovanou jako CA> 90 stupňů. Dalším rozdílem je, že hydrofobicita je proti hydrofilnost přirozeným způsobem. Neexistuje žádná taková opozice vůči Icephobicity, která by proto měla být definována stanovením kvantitativní prahové hodnoty. Icephobicity je mnohem více podobný tomu, jak superhydrofobicita je definováno.[7]

Kvantitativní charakterizace icefobicity

V nedávných publikacích na toto téma existují tři přístupy k charakterizaci povrchové icefobicity.[7] Za prvé, ledová fobicita znamená nízkou přilnavost síla mezi ledem a pevným povrchem. Ve většině případů je to kritické smykové napětí se vypočítá, i když normální stres lze také použít. Zatímco dosud nebyla navržena žádná výslovná kvantitativní definice pro ledobobytství, vědci charakterizovali ledobobové povrchy jako povrchy, které mají pevnost ve smyku (maximální napětí) menší v oblasti mezi 150 kPa a 500 kPa a dokonce jen 15,6 kPa.[1][7]

Zadruhé, z fobobicity vyplývá schopnost zabránit tvorbě ledu na povrchu. Tato schopnost je charakterizována tím, zda kapička podchlazeno voda (pod normální teplotou mrazu 0 ° C) zamrzá na rozhraní. Proces zmrazování lze charakterizovat časovým zpožděním heterogenního ledu nukleace. Mechanismy zmrazování kapiček jsou poměrně složité a mohou záviset na teplotní úrovni, na tom, zda se ochlazování kapiček provádí ze strany pevného substrátu nebo z páry a jinými faktory.

Za třetí, icefobní povrchy by měly odpuzovat přicházející malé kapičky (např déšť nebo mlha ) při teplotách pod bod mrazu.[12]

Tyto tři definice znamenají, že icefobní povrchy by měly (i) bránit zamrzání vody kondenzující na povrchu (ii) bránit zamrzání přicházející vody (iii) pokud by se vytvořil led, měl by mít slabou adhezní pevnost s pevnou látkou, aby mohl být snadno odstraněn. Vlastnosti proti námraze mohou záviset na takových okolnostech, jako je to, zda je pevný povrch chladnější než vzduch / pára, jak velký je teplotní gradient a zda má tendenci se na pevném povrchu vytvářet tenký vodní film v důsledku kapilárních účinků, uvolňujícího tlaku atd. Mechanické vlastnosti ledu a substrátu mají také velký význam, protože k odlupování ledu dochází jako lom, a to buď při praskání v režimu I (normální), nebo v režimu II (smykové), takže koncentrátory trhlin jsou hlavními přispěvateli ke snížení pevnosti.[4][7]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Meuler, A. J. a kol. Vztahy mezi smáčitelností vodou a přilnavostí ledu. ACS Appl. Mater. Rozhraní 2010, 11, 3100–3110
  2. ^ Zheng, L. a kol. Výjimečná superhydrofobicita a nízkorychlostní dopadová ledofobicita acetonem funkcionalizovaných uhlíkových nanotrubiček. Langmuir, 2011, 27, 9936–9943
  3. ^ Jung, S .; Dorrestijn, M .; Raps, D .; Das, A .; Megaridis, C. M .; a Poulikakos, D. Jsou superhydrofobní povrchy nejlepší pro Icephobicity ?. Langmuir, 2011, 27, 3059–3066
  4. ^ A b Nosonovsky, M .; Hejazi, V. I (2012). "Proč superhydrofobní povrchy nejsou vždy ledobobné". ACS Nano. 6 (10): 8488–8913. doi:10.1021 / nn302138r. PMID  23009385.
  5. ^ Menini, R .; Ghalmi, Z .; Farzaneh, M. Vysoce odolné icefobní povlaky na hliníkových slitinách. Cold Reg. Sci. Technol. 2011, 65, 65-69
  6. ^ Chemical Industries, 1950, v. 67, str. 559
  7. ^ A b C d E F G Hejazi, V .; Sobolev, K .; Nosonovsky, M. I (2013). „Od superhydrofobicity k icefobicitě: analýza sil a interakcí“. Vědecké zprávy. 3: 2194. doi:10.1038 / srep02194. PMC  3709168. PMID  23846773.
  8. ^ Kulinich, S. A .; Farhadi, S .; Nos, K .; a Du, X. W. Superhydrofobní povrchy: Opravdu odpuzují led? Langmuir, 2011, 27, 25-29
  9. ^ Bahadur, V .; Mishchenko, L .; Hatton, B., Taylor, J. A .; Aizenberg, J .; a Krupenkin, T. Prediktivní model pro tvorbu ledu na superhydrofobních povrchech. Langmuir, 2011, 27 , 14143–14150
  10. ^ Cao, L. -L .; Jones, A. K .; Sikka, V. K .; Wu, J .; a Gao, D. Superhydrofobní povlaky proti námraze. Langmuir, 2009, 25, 12444-12448
  11. ^ Chen, Dayong; Gelenter, Martin D .; Hong, Mei; Cohen, Robert E .; McKinley, Gareth H. (2017). „Icephobic Surfaces Induced by Interfacial Nonfrozen Water“. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (4): 4202–4214. doi:10.1021 / acsami.6b13773. PMC  6911363. PMID  28054770.
  12. ^ Zheng et al., Langmuir 27: 9936 (2011)