Гидрофобные свойства: Гидрофобность – это… Что такое Гидрофобность?

Гидрофобность (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φόβος — боязнь, страх) — это физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой^[1]. Сама молекула в этом случае называется гидрофобной.

Гидрофобные молекулы обычно неполярны и «предпочитают» находиться среди других нейтральных молекул и неполярных растворителей. Поэтому вода на гидрофобной поверхности, обладающей высоким значением угла смачивания, собирается в капли. А при добавлении в воду гидрофобных жидкостей, в зависимости от плотности, они собираются в изолированные сгустки, либо распределяются по поверхности воды, как происходит с нефтью.

Гидрофобными являются молекулы алканов, масел, жиров и других подобных материалов. Гидрофобные материалы используются для очистки воды от нефти, удаления разливов нефти и химических процессов разделения полярных и неполярных веществ.

Слово «гидрофобный» часто используется в качестве синонима к слову «липофильный» — «жиролюбивый», хотя это не вполне корректно. Действительно, гидрофобные вещества в целом липофильны, но среди них есть и исключения — например, силиконы, фторопласт.

Химические основы

Согласно термодинамике, материя стремится к состоянию с минимальной энергией, а связывание понижает химическую энергию. Молекулы воды поляризованы и способны образовывать между собой водородные связи, чем объясняются многие уникальные свойства воды. В то же время, гидрофобные молекулы не поляризованы и не способны образовывать водородные связи, поэтому вода отталкивает такие молекулы, предпочитая образовывать связи внутри себя. Именно этот эффект определяет гидрофобное взаимодействие, называемое так не совсем корректно, так как его источником является взаимодействие гидрофильных молекул воды между собой.^[2] Так, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная и гидрофобная) будут находиться в таком состоянии, где поверхность их контакта будет минимальной. Данный эффект можно наблюдать в явлении разделения фаз, происходящем, например, при расслоении водно-масляной эмульсии.

Сверхгидрофобность

Сверхгидрофобные материалы имеют поверхности, чрезвычайно несклонные к смачиванию (с углом контакта с водой, превышающим 150°). Многие из подобных материалов, обнаруженных в природе, подчиняются закону Кассье и являются двухфазными на субмикронном уровне, причем одним из компонентов является воздух. Эффект лотоса основан на этом принципе. Примером сверхгидрофобного материала-биомиметика в нанотехнологии является нанопин-пленка (англ.)русск.. Показано, что поверхность пентоксида ванадия может переключаться между сверхгидрофобностью (англ.)русск. и сверхгидрофильностью под действием УФ излучения^[3]. Согласно этому исследованию, любую поверхность можно наделить подобным свойством путём нанесения на неё суспензии розеткообразных частиц V₂O₅, например, с помощью струйного принтера. Тут гидрофобность также вызывается межслойными воздушными полостями (разделёнными расстояниями 2.1 нм). Механизм действия УФ излучения состоит в создании пар «электрон-дырка», в которых дырки реагируют с атомами кислорода в кристаллической решетке, создавая кислородные вакансии на поверхности, а электроны восстанавливают V⁵⁺ до V³⁺. Кислородные вакансии закрываются водой и такое поглощение воды поверхности ванадия делает её гидрофильной. При продолжительном пребывании в темноте вода замещается кислородом и гидрофильность утрачивается.

См. также

Примечания

1. ↑ Aryeh Ben-Na’im Hydrophobic Interaction Plenum Press, New York (ISBN 0-306-40222-X)
2. ↑ Goss, K. U. and R. P. Schwarzenbach (2003): «Rules of Thumb for Assessing Equilibrium Partitioning of Organic Compounds: Successes and Pitfalls.» JOURNAL OF CHEMICAL EDUCATION 80(4): 450—455. Link to abstract
3. ↑ UV-Driven Reversible Switching of a Roselike Vanadium Oxide Film between Superhydrophobicity and Superhydrophilicity Ho Sun Lim, Donghoon Kwak, Dong Yun Lee, Seung Goo Lee, and Kilwon Cho J. Am. Chem. Soc.; 2007; 129(14) pp 4128 — 4129; (Communication) DOI:10.1021/ja0692579

Литература

Ссылки

Гидрофобные материалы покрытия, состав

Вода является основой жизни. Она необходима каждому живому организму, существующему на Земле. Но в то же время, вода обладает и разрушительной силой. Не зря существует пословица, что «вода камень точит». И это действительно так, излишняя влажность способна нанести вред даже самым прочным конструкциям и материалам. В связи с этим, для обеспечения защиты предметов от намокания ученые химики изобрели специальное покрытие, способное отталкивать влагу. Покрытия, способные предотвратить намокание предметов, называются гидрофобными. Первое гидрофобное покрытие появилось в обиходе примерно 40 лет назад.

В настоящее время гидрофобные покрытия имеют огромную популярность. Абсолютно каждый человек сталкивается с использованием гидрофобных покрытий. Область их применения колоссально широка. Они применяются как для защиты обуви и различных гаджетов, так и для защиты строительных материалов, уже готовых построек, автомобилей и многого другого.

В зависимости от материала поверхности, а также от способа их нанесения все гидрофобные материалы подразделяются на:

1. Лаки. Ими обрабатываются, в основном, деревянные поверхности. Гидрофобные лаки предотвращают впитывания деревом влаги, и как следствие, не допускают его разбухания и гниения. Производятся в неокрашенном виде, другими словами – бесцветными. Благодаря гидрофобным лакам, деревянные поверхности становятся не только защищенными, но и приобретают привлекательный вид и блеск.
2. Пропитки. Очень популярными являются во время строительства стен зданий и дорожек на террасах. Эффективным водоотталкивающим средством выступают для различных пористых поверхностей.
3. Морилки. В основе данного гидрофобного покрытия лежит олифа. Такие морилки также отлично подойдут для защиты от влаги деревянных покрытий. Нанесение вещества происходит с помощью валика, кисти или же методом распыления.
4. Краски. Имеет наиболее широкую область применения, так как подходит для абсолютно любых типов поверхностей. Гидрофобные краски легко наносятся, у них отсутствует запах, а также они являются гигиеничными.
5. Жидкости, воски, аэрозоли. Такие покрытия предназначены для защиты обуви, стекол, мониторов компьютеров и экранов планшетов и телефонов. Они продаются во многих магазинах и не требуют специальных инструментов для их нанесения.

Однако, при покупке того или иного водоотталкивающего покрытия, следует помнить, что для каждого материала существует свое гидрофобное покрытие, состав которого адаптирован для нанесения на определенную поверхность. Нельзя, например, использовать гидрофобное покрытие для стекол, которое предназначено для защиты от влаги обуви, и наоборот.

Тем не менее, все гидрофобные покрытия, вне зависимости от своего состава, схожи по своим свойствам, которые направлены на защиту поверхности от влаги. К ним, в основном, относятся антиадгезионные свойства, абсолютная экологичность, способность образовывать на поверхности защитную пленку, предотвращающую впитывание влаги, запотевание (например, стекла), налипание грязи.

Гидрофобное покрытие для автомобиля

Автомобиль является тем транспортным средством, которое эксплуатируется при любых погодных условиях. А у некоторых владельцев, по причине отсутствия гаража, авто может даже зимовать на улице. В связи с этим, и сам кузов автомобиля, и многие детали подвергаются воздействию агрессивных сред, в том числе и влаге, которая является основным врагом железа и многих других декоративных элементов. А в комплексе с пылью и солью, которой так любят посыпать зимой дороги, влага является отличным средством, способным за считанные годы полностью привести в негодность лакокрасочное покрытие автомобильного кузова, что, в свою очередь, является причиной появления коррозии. Поэтому, транспортные средства очень нуждаются в хорошей защите. Линейка гидрофобных покрытий для автомобиля очень разнообразна. Она включает:

• силиконовые гидрофобные покрытия с ингибиторами коррозии;
• кремнийорганические твердые гидрофобные покрытия;
• восковые покрытия;
• тефлоновые покрытия;
• соли жирных кислот и другие вещества.

Гидрофобные покрытия обладают антиадгезионными свойствами, обеспечивая отталкивание с поверхности не только влаги, но и различного рода загрязнения. Структура водоотталкивающих покрытий позволяет им просачиваться на достаточную глубину в поры краски и лака, где происходит их кристаллизация. В результате этого на поверхности образуется невидимая тонкая силиконовая или кремниевая пленка, которая предотвращает появление нежелательных царапин и сколов краски на кузове авто. Благодаря применению таких покрытий можно значительно продлить срок службы и молодость своему любимому автомобилю.

Большинство таких покрытий для автомобиля имеют консистенцию, которая не требует специальных навыков и специального оборудования для их нанесения. Благодаря этому, абсолютно каждый человек может нанести гидрофобное покрытие своими руками на кузов автомобиля, соблюдая при этом инструкцию по применению покрытия, которая написана на упаковке.

Кроме того, на рынке существуют и более профессиональные гидрофобные покрытия для автомобиля, нанесение которых в домашних условиях невозможно, а требуют определенных знаний и техники. К таким покрытиям относятся:

1. Специальная защитная пленка, обладающая уникальным составом. После нанесения данного покрытия поверхность становится менее уязвима к различного рода механическим повреждениям, а также уже существующие царапины становятся менее заметными. Данная технология защиты кузова автомобиля является на сегодняшний день наиболее доступной среди всех остальных.
2. Покрытие, предназначенное для нанесения на полированную поверхность автомобиля. Данные покрытия имеют густую консистенцию, напоминающую гель. После нанесения таких покрытий образуется специальная пленка, обладающая эффектом «лотоса» – мелкие капли попадающей на кузов воды соединяются в крупные и вместе с грязью смываются с поверхности.
3. «Жидкое стекло». Данное покрытие способно не только соответствующим образом защитить поверхность, но и вернуть лакокрасочному покрытию автомобильного кузова первозданный блеск. Покрытие имеет принципиальное отличие от всех остальных гидрофобных покрытий, которое заключается в его составе. «Жидкое стекло» способно проникнуть достаточно глубоко в лакокрасочное покрытие кузова, тем самым усилив его молекулярную структуру. Кроме этого, покрытие очень прочное и долговечное.
4. Нанокерамика. Данное покрытие чем-то похоже на «жидкое стекло», поскольку также надежно и длительно способно сохранить в целостности и сохранности кузов автомобиля вместе с покраской. Предотвращает появление сколов и царапин. Также является устойчивым не только к воздействию агрессивной влажной среды, но и многим химическим веществам.

В настоящее время каждый владелец автомобиля может выбрать гидрофобное покрытие по своему вкусу. Каким бы оно не было, в любом случае, кузов и лакокрасочное покрытие будут защищены от воздействия влаги и загрязнения.

объяснил: гидрофобные и гидрофильные

Иногда вода распространяется равномерно, когда она ударяется о поверхность; иногда он превращается в крошечные капельки. Хотя люди заметили эти различия с древних времен, лучшее понимание этих свойств и новые способы управления ими могут принести важные новые приложения.

Материалы с особым сродством к воде – те, через которые она распространяется, максимизируя контакт – известны как гидрофильные.Те, которые естественным образом отталкивают воду, вызывая образование капель, известны как гидрофобные. Оба класса материалов могут оказать значительное влияние на производительность силовых установок, электроники, крыльев самолетов и опреснительных установок, а также других технологий, говорит Крипа Варанаси, доцент кафедры машиностроения в MIT. Улучшения в гидрофильных и гидрофобных поверхностях могли бы обеспечить бутылки для кетчупа, где приправа просто скользит, очки, которые никогда не запотевают, или электростанции, которые вырабатывают больше электричества из данного количества топлива.

Гидрофильные и гидрофобные материалы определяются геометрией воды на плоской поверхности, в частности, углом между краем капли и поверхностью под ней. Это называется углом контакта.

Если капля распространяется, смачивая большую площадь поверхности, то угол контакта составляет менее 90 градусов, и эта поверхность считается гидрофильной или водолюбивой (по-гречески слова «вода», , гид «», «любовь», ). Философия ). Но если капля образует сферу, которая едва касается поверхности – как капли воды на горячей сковородке – угол контакта больше 90 градусов, а поверхность гидрофобная или боится воды.

Но на этом терминология не заканчивается: большинство современных исследований гидрофобных и гидрофильных материалов сосредоточено на экстремальных случаях, а именно на супергидрофобных и супергидрофильных материалах. Хотя определения этих терминов являются менее точными, поверхности, где плотные капли образуют контактный угол более 160 градусов, считаются супергидрофобными. Если капли распределены почти плоско, с углом контакта менее чем приблизительно 20 градусов, поверхность является супергидрофильной.

«Во многих случаях это экстремальное поведение полезно в машиностроении», – говорит Эвелин Ванг, доцент кафедры машиностроения в Массачусетском технологическом институте, которая специализируется на супергидрофобных материалах.Например, поверхности конденсаторов в опреснительных установках или электростанциях работают лучше всего, когда они супергидрофобны, поэтому капли постоянно соскальзывают и могут быть заменены новыми. И наоборот, для применений, где вода течет по поверхности, чтобы предотвратить ее перегрев, желательно иметь супергидрофильный материал, чтобы обеспечить максимальный контакт между водой и поверхностью.

Почему происходят эти явления? По сути, это вопрос химии поверхности, который определяется характеристиками используемых материалов.Форма поверхности также может усиливать эффекты: например, если материал является гидрофобным, создание наноболочек на его поверхности может увеличить площадь контакта с каплей, усиливая эффект и делая поверхность супергидрофобной. Точно так же нанопокрытие гидрофильной поверхности может сделать ее супергидрофильной. (Однако есть исключения, когда специальные виды рисунков могут фактически изменить обычные свойства материала.)

Ситуация усложняется, когда все движется, как это часто бывает в реальных ситуациях.Например, когда плоская поверхность наклонена, любые капли на ней могут начать скользить, искажая их формы. Таким образом, помимо измерения статических краевых углов, полное понимание свойств поверхности также требует анализа того, как различаются контактные углы на ее переднем (переднем) и отступающем (заднем) краях, когда поверхность наклонена.

Поскольку природный мир полон гидрофобных и гидрофильных поверхностей, основы этого явления известны ученым не менее двух столетий.Например, лист лотоса является хорошо известным примером гидрофобного материала, защищающего водное растение от затопления. Некоторые виды, такие как жук-стенокара в африканской пустыне Намиб, сочетают в себе оба признака: спина и крылья насекомого имеют гидрофильные выпуклости, которые способствуют образованию конденсата из тумана; они окружены гидрофобными желобами, которые собирают образовавшиеся капельки и направляют их ко рту жука, позволяя ему выжить в одном из самых сухих мест на Земле.

Одна область современного интереса к гидрофобным и гидрофильным поверхностям связана с энергоэффективностью. Супергидрофобные поверхности, разрабатываемые исследователями в Массачусетском технологическом институте и в других местах, могут привести к улучшению теплообмена в конденсаторах электростанций, повышая их общую эффективность. Такие поверхности также могут повысить эффективность опреснительных установок.

Новые технологии также внесли свой вклад в эту область: способность создавать наноструктурные поверхности с выпуклостями или выступами, занимающими всего несколько миллиардных долей метра, позволила создать новое поколение материалов для захвата и удаления воды; новая визуализация поверхностей в движении с высоким разрешением позволила лучше понять вовлеченные процессы.

Исследования, обеспечиваемые новыми технологиями, позволяют понять и манипулировать этим поведением на уровне детализации, немыслимого десятилетие или два назад. Но иногда новые методы показывают, насколько хорошо ученые уже давно поняли: «Удивительно, – говорит Варанаси, – что некоторые из вещей, которые мы можем проверить сейчас, были предсказаны столетие назад».

Эта публикация опубликована с разрешения MIT News (веб.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, который освещает новости об исследованиях MIT, инновациях и обучении.

Цитирование : Объяснено: Гидрофобный и гидрофильный (2013, 16 июля) восстановлено 26 июля 2020 г. с https: // физ.орг / Новости / 2013-07-гидрофобной hydrophilic.html

Этот документ защищен авторским правом. Кроме честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет Часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержание предоставлено исключительно в информационных целях.

Гидрофобный эффект

Поскольку вода так хороша в образовании водородных связей с самим собой, она наиболее благоприятна для молекул или ионов, которые в наименьшей степени разрушают ее H-образную сеть. Наблюдение за плаванием масел на поверхности воды показывает, что молекулы масла неполярны – они не несут заряда или полярности и не растворяются в воде. Когда нефть или другое неполярное соединение сталкивается с водой, соединение разрушает водную сеть, образующую водородную связь, и заставляет ее образовывать форму вокруг неполярной молекулы, образуя своего рода клетку вокруг неполярной молекулы.Эта клетка является упорядоченной структурой, и поэтому она не одобряется Вторым законом термодинамики, который утверждает, что спонтанные реакции протекают с увеличением энтропии (беспорядка).

Как решить эту дилемму? Если неполярные молекулы объединяются, то для образования клетки вокруг них требуется меньше молекул воды. В качестве аналогии, рассмотрим упорядоченную структуру воды как краску вокруг кубического блока. Если у вас есть четыре блока для рисования, и каждый блок составляет 1 см вдоль каждой стороны, для каждого блока потребуется краска на 6 см ² , если вы рисуете их отдельно.Однако, если вы соедините четыре блока в квадратный узор, вам не нужно рисовать внутренние поверхности кубов. В общей сложности всего 16 см ² , а не 24 см ² поверхность должна быть окрашена, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1

Тенденция неполярных молекул к самостоятельному ассоциированию в воде, а не к индивидуальному растворению, называется гидрофобным эффектом . Этот термин несколько вводит в заблуждение, поскольку он относится к самим молекулам, где на самом деле он обусловлен природой воды, образующей водородную связь, но используется почти повсеместно, и биохимики часто говорят о гидрофобных боковых цепях молекулы как Сокращение для сложности обсуждения структуры воды, как это зависит от неполярных составляющих биомолекул.

Многие биомолекулы являются амфипатическими, , то есть они имеют как гидрофобные (ненавидящие воду), так и гидрофильные (любящие воду) части. Например, пальмитиновая кислота имеет функциональную группу карбоновой кислоты, присоединенную к длинному углеводородному хвосту. Когда его натриевая соль, пальмитат натрия, растворяется в воде, углеводородные хвосты связываются из-за гидрофобного эффекта, оставляя карбоксилатные группы связываться с водой. Соль жирных кислот образует мицеллу – сферическую каплю, расположенную с углеводородными цепями внутри и карбоксилатными группами внутри снаружи капли.Пальмитат натрия является основным компонентом мыла. Жиры представляют собой триглицеридных сложных эфиров, состоит из трех жирных кислот, этерифицированных в одну молекулу глицерина. Эфирная связь представляет собой ковалентную связь между карбоновой кислотой и спиртом. Мыльные мицеллы мобилизуют жиры и другие гидрофобные вещества, растворяя их внутри мицеллы. Поскольку мицеллы подвешены в воде, жир удаляется с поверхности очищаемого объекта. Моющие средства являются более сильными моющими средствами, чем мыла, главным образом потому, что их гидрофильный компонент более высоко заряжен, чем жирный кислотный компонент мыла.Например, додецилсульфат натрия является компонентом коммерчески доступных шампуней для волос. Это достаточно мощное моющее средство, которое часто используется экспериментально для разрушения гидрофобных взаимодействий, которые удерживают мембраны вместе или которые способствуют формированию белка.

Когда фосфатидилхолин суспендируется в воде, молекулы связаны гидрофобным эффектом, когда заряженная часть обращена к растворителю, а боковые цепи жирных кислот связаны друг с другом. Однако вместо того, чтобы образовать мицеллу, как это делают пальмитаты, эти молекулы объединяются в бислой , который в конечном итоге образует сферический везикулу (называемую липосомой) с определенной внутренней и внешней частью.Липосомы явно похожи на клеточные мембраны, хотя в некоторых отношениях они различаются.

Биологические мембраны являются двухслойными и содержат несколько типов липидов; некоторые чаще связаны с внешним лицом клетки, а другие обращены внутрь. Биологические мембраны также содержат большое количество белковых компонентов. Мембраны полупроницаемые , естественным образом исключая гидрофильные соединения (например, углеводы, белки и ионы), позволяя кислороду, белкам и воде свободно проходить.

,

Является ли графен гидрофобным или гидрофильным? Кредит: iStock.com/ThomasVogel

Группа квантовой детекции Национальной физической лаборатории (NPL) только что опубликовала исследование, в котором исследуется гидрофобность эпитаксиального графена, который может быть использован в будущем для лучшей адаптации графеновых покрытий для применения в медицине, электронике и т. Д. Вопреки широко распространенному мнению, результаты показывают, что гидрофобность графена сильно зависит от толщины, при этом однослойный графен значительно более гидрофилен, чем его более толстые аналоги.

Графен – это двумерный кристалл углерода, имеющий множество потенциальных применений, таких как гибкая электроника, эффективные транзисторы и новые датчики. Чтобы стимулировать использование графена для электрических применений, необходимо решить проблемы крупномасштабного производства и контроля его свойств в различных условиях окружающей среды.

Многие устройства на основе графена должны будут работать в условиях окружающей среды, где влажность не равна нулю и не контролируется. Влажность воздуха может повлиять на производительность графена путем изменения его механических и электрических свойств – поэтому крайне важно получить знания о сродстве графена к воде.

Новое исследование, проведенное в сотрудничестве с Морской научно-исследовательской лабораторией, посвящено широко обсуждаемому вопросу о том, является ли графен гидрофобным или гидрофильным.Общее предположение состоит в том, что графен, как и многие другие материалы на основе углерода, является гидрофобным. Эта работа, опубликованная в журнале Американского химического общества ACS Nano , доказала, что этот вопрос намного сложнее, чем казалось на первый взгляд.

Адгезионные и фрикционные свойства одно- и двухслойного графена были изучены с помощью химико-силовой микроскопии с гидрофобным зондом – варианта атомно-силовой микроскопии, где субстрат изучается с использованием сил между зондом и поверхностью.Была измерена большая сила адгезии между зондом и двухслойным графеном по сравнению с однослойным графеном, что показывает, что двухслойный / трехслойный графен является более гидрофобным. Это говорит о том, что гидрофобность зависит от толщины графеновых слоев.

Эти результаты были дополнительно подтверждены наноразмерным картированием сил трения: гидрофобные домены показали более низкую силу трения, что согласуется с тем фактом, что разные уровни гидрофобности имеют тенденцию влиять на расположение окружающих молекул воды и, в свою очередь, на скольжение движение наконечника зонда.

Методы, продемонстрированные NPL, могут быть использованы в будущем для углубления нашего понимания поведения смачивания графена, с особым акцентом на влияние различных методов производства графена. В частности, он прокладывает путь к дифференциации покрытий на основе графена и адаптации их к конкретному применению.

Например, более толстые покрытия (двухслойный графен или более) идеально подходят для гидрофобных применений, таких как медицинское оборудование и электронные компоненты.С другой стороны, однослойные графеновые покрытия могут использоваться там, где требуется гидрофильная поверхность, как, например, в противотуманных стеклах и покрытиях для зданий.

---

Видя атомную толщину

---

Дополнительная информация: Зависимая от толщины гидрофобность эпитаксиального графена.« ACS Nano , статья ASAP DOI: 10.1021 / acsnano.5b03220 Предоставлено Национальная физическая лаборатория

Цитирование : Является ли графен гидрофобным или гидрофильным? (2015, 18 августа) восстановлено 26 июля 2020 г. с https: // физ.орг / Новости / 2015-08-графен-гидрофобной hydrophilic.html

Этот документ защищен авторским правом. Кроме честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет Часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержание предоставлено исключительно в информационных целях.

,