Versuch 1 Superhydrophobe Oberflächen auf Glas mit Flamme

Ziel

Bewerten Sie die Machbarkeit und Wirksamkeit der Anwendung des superhydrophoben Beschichtungsverfahrens auf verschiedene Materialien wie Aluminium, Holz und Papier, um die Kompatibilität und Funktionalität aller Substrate sicherzustellen.

Beurteilen Sie die Robustheit und Langlebigkeit der superhydrophoben Beschichtung gegenüber mechanischen Belastungen wie Reibung mit Küchenpapier und untersuchen Sie Anpassungen, um ihre Haltbarkeit und Abriebfestigkeit zu verbessern.

Entdecken Sie praktische Anwendungen von superhydrophoben Materialien, insbesondere die Verwendung eines superhydrophoben Aluminiumgewebes, um das Verhalten von Öl- und Wassertröpfchen zu beobachten und zu verstehen, einschließlich des einzigartigen Phänomens des Mischens dieser Flüssigkeiten auf der beschichteten Oberfläche.

Hintergrund

Rauhigkeit

Unter den vielen Möglichkeiten, eine Oberflächenrauheit im Mikronanobereich zu erzeugen, sind die Photolithographie und das Säureätzen besonders wichtig. Darüber hinaus finden die Laserablation und einige additive Verfahren immer mehr Verbreitung.

Fotolithografie

"Litho" ist ein griechisches Wort für Stein, also bedeutet Lithografie das Schreiben auf Stein. Die Fotolithografie ist eine Technik, die dem Gravieren eines bestimmten Musters auf einer Oberfläche ähnelt. Bei diesem Verfahren wird zunächst ein UV-empfindliches Material namens Fotolack auf ein Substrat aufgebracht, in der Regel ein Siliziumwafer. UV-Licht wird dann durch eine Maske, auf der das Muster aufgedruckt ist, der Probe ausgesetzt. Dadurch werden die dem UV-Licht ausgesetzten Bereiche des Fotolacks eingebrannt und leicht entfernt, so dass das gewünschte Mikromuster auf der Oberfläche zurückbleibt. Obwohl diese Methode etwas komplex ist, ermöglicht sie es uns, ein geordnetes und präzises Muster der Rauheit zu erzeugen, wie in Abb

Säureätzen

Dieses Verfahren basiert auf der Tatsache, dass die Oberfläche der meisten Stähle nicht homogen ist und viele Verunreinigungen enthält. Zum Beispiel könnte eine Oberfläche aus einer Aluminiumlegierung Anteile von Zink, Magnesium und Mangan aufweisen. Wenn Sie das Aluminium in HCl-Säure tauchen, entfernt die Säure diese Verunreinigungen, wodurch eine raue Oberfläche entsteht (Abb. 2). Obwohl es mit dieser Methode nicht möglich ist, das Rauheitsmuster zu kontrollieren, bleibt sie aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit beliebt.

Beschichtung

Schleuderbeschichtung und chemische Gasphasenabscheidung (CVD) sind beliebte Techniken, um einer Oberfläche eine sehr dünne Beschichtungsschicht hinzuzufügen.

Schleuderbeschichtung

Wenn ein Tröpfchen auf eine sich drehende Oberfläche gelegt wird, wird es durch die Zentrifugalkraft radial nach außen getrieben (Abb. 3). Dieser Prozess führt zu einer sehr dünnen Schicht des Tröpfchens auf der Oberfläche, deren Dicke je nach Viskosität und Spingeschwindigkeit einstellbar ist. Die Spin-Beschichtung, eine weit verbreitete Technik zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen, Nanokanälen und optischen Spiegeln, ermöglicht es uns, eine mikronanoskalige Beschichtungsschicht auf eine Oberfläche aufzubringen.

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) wird eine Materialschicht aus der Dampfphase auf ein Substrat aufgebracht, indem Chemikalien zersetzt werden. Der größte Vorteil von CVD, der es sehr beliebt gemacht hat, ist seine Fähigkeit, fast jede metallische oder keramische Verbindung, einschließlich Elemente, Metalle und deren Legierungen, zu beschichten. Alle diese eingeführten Methoden erfordern geschickte Bediener und sind zeit- und kostenintensiv. Im folgenden Abschnitt werden wir eine interessante Technik zur Herstellung einer superhydrophoben Oberfläche untersuchen, die beide Anforderungen (Aufrauen und Beschichten) in einem Schritt erfüllt.

Begriff

Um in einem Schritt eine superhydrophobe Oberfläche zu erreichen, werden wir inhärent hydrophobe Nanopartikel verwenden. Diese winzigen Partikel können hierarchisch raue Oberflächen anheften und ablegen (Abb. 4). In diesem Experiment werden wir zu diesem Zweck hydrophobe Kohlenstoff-Nanopartikel (CNP) verwenden. Diese Partikel entstehen durch die unvollständige Verbrennung einer Kerze, so dass sie reichlich im Kerzenruß zu finden sind. Darüber hinaus sind sie weniger als 2 μm groß und eignen sich daher ideal für die Erzeugung einer hierarchischen Rauheit im Mikro-Nano-Maßstab.

Wir müssen jedoch einen Weg finden, sie an der Oberfläche zu befestigen, da die Struktur der CNPs sehr zerbrechlich ist und aufgrund ihrer schwachen physikalischen Haftung durch eine winzige äußere Kraft leicht entfernt werden kann. Um dieses Problem zu lösen, verwenden wir Paraffinwachs als Kleber, um den Ruß sicher mit der Oberfläche zu verbinden.

Experiment

Material und Ausstattung: Kerze, Objektträger, Feuerzeug, Kontaktwinkel-Goniometer

Schritt 1: Paraffinwachs auftragen

Reiben Sie die Kerze 2 Minuten lang auf der Glasoberfläche.

Zweck: Tragen Sie eine Schicht Paraffinwachs als Kleber zum Anbringen von CNPs auf dem Substrat auf.

Schritt 2: Sorgen Sie für eine gleichmäßige Wachsschicht

Reiben Sie mit einem Schwamm oder Küchenpapier 2 Minuten lang glatt über die Oberfläche.

Zweck: Stellen Sie sicher, dass die Paraffinwachsschicht dünn und gleichmäßig ist.

Schritt 3: CNPs einzahlen

Zünden Sie die Kerze an und positionieren Sie die mit Paraffinwachs beschichtete Seite des Glases etwa 1 cm vom Docht der Kerze entfernt.

Zweck: Lagern Sie CNPs auf der Oberfläche ab.

Schritt 4: Paraffinwachs verteilen

Bewegen Sie das Glas 1 Minute lang horizontal hin und her.

Zweck: Die Paraffinwachsschicht gleichmäßig verteilen.

Schritt 5: Entfernen Sie ungebundene Partikel

Tauchen Sie das Glas in Wasser und schütteln Sie es vorsichtig.

Zweck: Entfernen Sie ungebundene Partikel von der Oberfläche.

Schritt 6: Kontaktwinkel messen

Geben Sie einen 7 μl Wassertropfen auf die Probe und messen Sie den statischen Kontaktwinkel mit dem Tröpfchen-Laborgerät.

Zweck: Messen Sie die Wirksamkeit der superhydrophoben Oberfläche.

Schritt 7: Wiederholen Sie den Vorgang für unbehandelte Oberflächen

Drehen Sie das Glas und wiederholen Sie Schritt 6 für die unbehandelte Oberfläche.

Schritt 8: Vergleichen Sie die Ergebnisse

Vergleichen Sie die Ergebnisse von Schritt 6 mit Schritt 7.

Entdeckung

Entdeckung 1

In unserem Experiment haben wir festgestellt, dass das Substrat den Prozess nicht wesentlich beeinflusst. Testen Sie, ob die gleiche Methode auf andere Materialien wie Aluminium, Holz oder Papier angewendet werden kann. Achtung: Um ein Anbrennen von Holz und Papier zu verhindern, befeuchten Sie sie, bevor Sie mit dem Vorgang beginnen.

Entdeckung 2

Reiben Sie 20 Sekunden lang mit einem Küchenpapier über die superhydrophobe Oberfläche und messen Sie erneut den statischen Kontaktwinkel. Beobachten Sie alle Veränderungen. Entdecken Sie die Anpassungen in den Schritten 1 bis 4, um die Beständigkeit der Beschichtung gegen Reibung zu verbessern.

Entdeckung 3

Wiederholen Sie das Experiment, um ein superhydrophobes Aluminiumnetz zu erstellen. Legen Sie Öl- und Wassertröpfchen auf die Oberfläche und beobachten Sie deren Verhalten. Versuchen Sie, ein Tröpfchen Öl mit einem Tröpfchen Wasser auf dem Netz zu mischen. Analysieren Sie die beobachteten Phänomene.

Entdeckung 4

Stelle eine superhydrophobe Rasierklinge her und versuche, Wassertropfen zu schneiden. Bestimmen Sie die Größe des kleinsten Wassertropfens, der geschnitten werden kann. Teilen Sie uns Ihre Erkenntnisse mit.

Entdecken und teilen

Jetzt, da Sie verschiedene superhydrophobe Materialien herstellen können, entwerfen und führen Sie interessante Experimente durch. Entdecken Sie die Welt der superhydrophoben Materialien und teilen Sie Ihre Ergebnisse mit uns. Denken Sie daran, dass "Entdeckung nicht darin besteht, neue Länder zu suchen, sondern mit Augen zu sehen.