Een waterafstotend nanomateriaal geïnspireerd door de natuur

Een team van onderzoekers van de University of Central Florida heeft een nieuw nanomateriaal ontwikkeld dat water afstoot en zelfs onder water droog kan blijven.

De ontdekking zou de deur kunnen openen naar de ontwikkeling van efficiëntere waterafstotende oppervlakken, brandstofcellen en elektronische sensoren om gifstoffen te detecteren. Het werk is gedocumenteerd in het omslagverhaal van deze maand Geavanceerde materialen logboek.

Debashis Chanda, een professor aan het NanoScience Technology Center van UCF, leidde het team dat deze nieuwe superhydrofobe films en coating van nanomaterialen maakte. Hij werd geïnspireerd door de natuur en de evolutie van bepaalde planten en biologische soorten

“Waterafstotend of hydrofoob zijn, is het hulpmiddel van de natuur om planten en dieren te beschermen en zelf te reinigen tegen ziekteverwekkers zoals schimmels, algengroei en vuilophoping”, zegt Chanda. “We haalden onze aanwijzingen uit de structuur van een lotusblad en synthetiseerden nanogestructureerde materialen op basis van moleculaire kristallen van fullerenen.”

Fullerenen (C₆₀ en C₇₀) worden gebouwd door koolstofmoleculen te bundelen – de basisbouwsteen van het universum. Koolstof is er in verschillende vormen. In speciale omstandigheden kunnen 60 of 70 van dergelijke koolstofmoleculen aan elkaar binden om een ​​kooiachtige gesloten structuur te vormen, fullerenen genaamd. Deze kooien kunnen op elkaar worden gestapeld om hoge kristallen te vormen die fullerieten worden genoemd.

Door een druppel van een gel gemaakt van fullerieten op elk oppervlak te plaatsen, wordt een super waterafstotende toestand geactiveerd, zegt Chanda. De unieke kooiachtige structuur van de gel interfereert niet met het originele materiaal dat wordt behandeld, wat betekent dat ze hun unieke functionele eigenschappen behouden. Dat betekent dat het nieuwe superoppervlak mogelijk kan worden gebruikt voor het splitsen van water, bacteriële desinfectie, waterstofgeneratie of elektrokatalyse – die allemaal kunnen worden gegenereerd in vloeibare omgevingen.

“De nieuwe gel maakt bijvoorbeeld het splitsen van elektrokatalyse gemakkelijker, wat zou kunnen leiden tot efficiëntere brandstofcellen”, zegt Chanda. “Dezelfde gel kan leiden tot betere elektronenacceptoren, die essentieel zijn bij het ontwikkelen van zeer gevoelige detectoren en sensoren voor giftige gassen. Er is veel potentieel. Het is best spannend.”

De meeste eerder gerapporteerde hydrofobe oppervlakken zijn bereikt door microscopische patronen te ontwerpen die complexe lithografie- of etsprocessen omvatten die niet op alle oppervlakken kunnen worden uitgevoerd. En niet alle eerder ontwikkelde hydrofobe oppervlakken blijven droog wanneer ze op een bepaalde waterdiepte langer dan een paar minuten onder water blijven.

“We ontdekten dat fullerite-films extreme waterafstotendheid vertonen, ongeacht de richting van de waterstroom en zelfs onder continue stroming van water erover”, zegt Chanda. “Zelfs wanneer ze enkele uren worden ondergedompeld op 2 voet water, blijven de films droog. We hebben zelfs ontdekt dat ze gassen onder water kunnen opvangen en opslaan in de vorm van plastrons – een vorm van ingesloten bellen die de wonderbaarlijke alkalivlieg van Californië’s Mono nabootsen Meer.”

Rinku Saran, een postdoctoraal onderzoeker in Chanda’s lab, en hoofdauteur van de studie, zegt enthousiast te zijn over het potentieel.

“Omdat deze superhydrofobe oppervlakken worden gemaakt in een zeer eenvoudig en gemakkelijk proces met behulp van pure koolstoffullerenen, verwachten we dat ze in veel experimenten en real-life toepassingen kunnen worden benut”, zegt Saran.