Нанотехнологии в производствеводонепроницаемых материалов

Анатолий Шперх«Школьная лига РОСНАНО»

Приставка«нано» означает одну миллиардную часть чего-либо.

Ученые и инженеры применяют ее для обозначения крайне малых величин, в том числе единиц длины(нанометр), времени(наносекунда), объема(нанолитр) и массы (нанограмм). Чаще всего эта приставка используется именно при измерении длины, самая распространенная единица из названных— нанометр(нм). Диаметр отдельного атома менее 1 нм, а чтобы получить цепочку длиной 1 нм, необходимо выстроить 10 атомов водорода.

Что такое нанотехнологии?

Площадь поверхности четырех граммов нанотрубок равна площади футбольного поля

Растровый электронный микроскопОсобый типэлектронного микроскопа, позволяющий получить изображение поверхности путем ее растровогосканирования сфокусированным электронным пучком.

Что такое гидрофобный эффект?В слове«гидрофобный» два корня: «гидро» — «вода» и«фобос» — «страх». Гидрофобный эффект можнонаблюдать при попытке смешать масло с водой. Листья и лепестки цветов отталкивают капли воды после дождя— это тоже проявление гидрофобного эффекта. Он обусловлен тем, что лист покрыт воском и на егоповерхности присутствуют тонкие волокна, которыесоздают воздушную прослойку, позволяющую отталкивать воду.

Как работает смачиваниеПо сию пору полной гидрофобности в искусственных условиях достичь не удается. Да и ожидать этого довольно трудно: угол смачивания для пары чистые парафины - вода равен 106-109°, немногим больше он у самого гидрофобного на сегодня синтетического материала - фторопласта - 112°.

Но предел ли это?

Неучтенная шероховатостьЛист лотоса покрыт заостренными, наподобие крохотных пирамидок, клетками. Лист сальвинии покрыт волосками. Поверхность перьев водоплавающих птиц не просто шероховата - каждый выступ на поверхности как бы обращен острием наружу. Капли воды соприкасаются только с остриями, так что площадь контакта получается просто крохотной. Отсюда и предельно низкая адгезия.

Капля на листе лотоса (сверху) и листе сальвинии плавающей

Размер имеет значениеЧтобы поверхность сбрасывала с себя даже туман, капли которого значительно мельче дождевых, нужна более тонкая структура шероховатостей. На листе лотоса вершины клеток-пирамидок отстоят друг от друга всего на несколько микрон. Поэтому и получается идеально гидрофобная поверхность. Чтобы получить ее искусственно, нужно взять за образец лист лотоса.

Лист лотоса под электронным микроскопом

Супергидрофобные поверхностиСупергидрофобные поверхности (например, листья и лепестки растений семейства лотосовых) — это поверхности, обладающие крайне низкой смачиваемостью за счет того, что у них угол касания водяной капли превышает150°, а угол скатывания составляет менее10°.

Идеальное покрытие?Можно ли назвать идеальным покрытием покрытую воском поверхность?

Применение при изготовлении тканейСоздать материал с гидрофобным эффектом оказалось не так просто. Поскольку волокна хлопчатобумажной ткани имеют цилиндрическую форму, инженерам пришлось разместить по их окружности тонкие нановискеры. В результате получилась ворсистая поверхность. Внешний вид ткани не изменился, однако она стала отталкивать жидкость.

Гидрофобные пропиткиСталкивались ли вы в описании к одежде, обуви, сумкам, палаткам и пр. с аббревиатурой DWR, что расшифровывается как Durable Water Repellent (водоотталкивающее вещество длительного действия)?

Гидрофобные пропиткиТакую пропитку можно произвести и в домашних условиях

ПроблемаЕсли молекулы незакреплены перманентно, ткань может утратить способность отталкивать воду после несколькихстирок.

Есть ли другие способы удержать воду?

Можно сделать фильтр, размеры пор которого не будут пропускать воду

ПроблемаМембрана должна быть очень тонкой и ее поры могут постоянно забиваться

Что такое мембранные ткани?Строго говоря, мембрана – это всего лишь очень тонкая (толщиной десятые, если не сотые доли миллиметра) полимерная пленка, имеющая микроскопические отверстия – поры. Именно эти поры и обеспечивают мембране те свойства, которые создали ей такую популярность у производителей одежды и обуви. Форма пор такова, что обеспечивает материалу одностороннюю водопроницаемость. То есть влага, находящаяся с одной стороны мембраны, проходит насквозь, в то время как другая сторона имеет проницаемость гораздо меньшую

Что такое мембранные ткани?Таким образом, мембранная ткань представляет собой «бутерброд»: слой ткани + слой мембраны (двухламинарная ткань) или ткань + мембрана + дополнительный слой материала, защищающего саму мембрану от повреждений (трехламинарная ткань). Водопроницаемая сторона мембраны обращена «внутрь», водоотталкивающая – «наружу»

Пример мембранной тканиFine-Tex Wing – высокотехнологичный многослойный мембранный материал, хорошо регулирующий воздухообмен внутреннего пространства одежды. Обеспечивает свободный вывод избыточного тепла и влаги на поверхность изделия. Обладает антибактериальным эффектом, гиппоаллерген. Прочен, износостоек.

Что дальше?Слабым местом мембранных тканей является фиксированный размер пор. В результате любая мембранная ткань отлично работает в достаточно узком диапазоне температур

Что дальше?Будущее – за тканями, которые в автоматическом режиме будут изменять пористость и толщину, а, возможно, и форму

Спасибо за вниманиеСамое время задать вопросы