Nanodunne ‘vloeistofachtige’ coatings kunnen de weg vrijmaken voor een ‘zelfreinigende’ wereld

Onderzoekers van de Universiteit van Sydney hebben waargenomen dat oliemoleculen hun ‘vloeistofachtige’ eigenschappen behouden wanneer ze chemisch als een extreem dunne laag aan vaste oppervlakken worden gehecht, wat nieuwe mogelijkheden opent voor het ontwerpen van duurzame materialen met antikleefeigenschappen.

De bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemiegeleid door Dr. Isaac Gresham met co-auteurs Professor Chiara Neto en honoursstudent Seamus Lilley van de School of Chemistry en Sydney Nano, Dr. Kaloian Koynov van het Max Planck Institute for Polymer Research en Dr. Andrew Nelson van het Australian Centre for Neutronenverstrooiing.

De ‘vloeistofachtige’ coatings die het team bestudeerde, bekend als gladde covalent gehechte vloeistofoppervlakken (SCALS), worden gemaakt van siliconen of polyethyleenglycol, die beide uiteenvallen in onschadelijke bijproducten in het milieu.

SCALS zijn anti-adhesief zonder afhankelijk te zijn van problematische geperfluoreerde polymeren (PFAS), bekend als ‘forever chemicals’ die meestal worden gebruikt vanwege hun lage adhesie-eigenschappen.

“Deze vloeistofachtige lagen zijn extreem glad voor de meeste verontreinigingen: ze werpen moeiteloos vloeistofdruppels af, wat geweldig is om de efficiëntie van warmteoverdracht te verhogen en voor het verzamelen van water, ze voorkomen de opbouw van kalkaanslag en zijn bestand tegen de hechting van ijs en bacteriën. brengt ons een stap dichter bij een zelfreinigende wereld”, zegt professor Neto, die het Nano-Interfaces Laboratory aan de Universiteit van Sydney leidt.

“We kunnen de uitzonderlijke prestaties van deze lagen correleren met hun nanostructuur, wat betekent dat we nu weten waar we naar streven als we gladde oppervlakken ontwerpen, waardoor we ze nog effectiever kunnen maken en levensvatbare alternatieven kunnen bieden voor gefluoreerde coatings.”

De glibberige nanodunne lagen, tussen twee en vijf miljardste van een meter dik of 10.000 keer dunner dan een mensenhaar, bestaan ​​uit oliemoleculen die slechts honderd atomen lang zijn.

“Een waterdruppel glijdt zonder wrijving over een dikke oliefilm, maar als je de oliefilm volledig verwijdert, bijvoorbeeld met zeep, blijven de meeste waterdruppels aan vaste oppervlakken plakken”, zei professor Neto.

“Hoe dun kan de olielaag op een vast oppervlak zijn voordat het niet langer ‘vloeistofachtig’ is? Op nanoschaal wordt de definitie van een vloeistof enigszins glad.”

Om de geheimen van hun ultradunne vloeibare coatings te ontrafelen, gebruikte het team twee technieken om de oppervlaktelagen te ‘zien’.

De eerste techniek is single-molecule force spectroscopie, die de lengte van individuele moleculen meet en de kracht die nodig is om ze uit te rekken of samen te drukken.

De tweede is neutronenreflectometrie, waarmee wetenschappers de lengte en entingsdichtheid van moleculen kunnen meten.

“We ontdekten dat als de vloeibare moleculen te kort waren en dun geënt op het vaste oppervlak, ze het onderliggende vaste oppervlak niet voldoende bedekten en plakkerig bleven”, zei professor Neto.

“Aan de andere kant, als moleculen te lang waren of te dicht geënt, hadden ze niet genoeg flexibiliteit om zich als een vloeistof te gedragen.

“Om SCALS effectief te laten zijn, moesten ze zich in een Goudlokje-zone bevinden, waar ze niet te kort of te lang zijn, noch te los of te strak verpakt.”

Om definitief aan te tonen dat de uitzonderlijke eigenschappen van deze lagen te danken zijn aan hun ‘vloeistofachtige’ toestand, heeft het team de snelheid gemeten waarmee een klein sondemolecuul in de laag diffundeerde.

Moleculen kunnen door vloeistoffen diffunderen, maar niet door vaste stoffen. Professor Neto zei dat de snelste moleculaire diffusie werd waargenomen in de Goudlokje-zone, waar de oliemoleculen precies de juiste lengte hebben en geënt zijn met een matige dichtheid.