XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Гидрофобные вещества и их перспективы
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Люди всегда заимствовали новые технологические решения у природы, которая потратила на их развитие миллионы лет эволюции. Цветок лотоса знаком специалистам по бионике и нанобиотехнологиям благодаря способности его лепестков отталкивать грязь, пыль и воду. Эти свойства цветка и получили название «эффект лотоса». «Эффект лотоса» был открыт в семидесятых годах 20 века немецким ботаником, профессором Вильгельмом Бартлоттом. Сегодня учёные пытаются скопировать и воспроизвести гидрофобные свойства созданных природой поверхностей, усовершенствуя аналогичные физико-химические структуры с целью усиления желаемого эффекта. В результате проведения таких научноисследовательских работ появились покрытия с особыми функциональными свойствами. Эти покрытия толщиной всего лишь несколько нанометров состоят в основном из одного органического и одного неорганического компонента. Неорганическую матрицу, как правило, образованную диоксидом кремния, диоксидом циркония или диоксидом титана, объединяют с органической матрицей (в основном это органические растворители). В зависимости от требований, предъявляемых к покрытию, в матрицу вводят наночастицы тех или иных веществ. В настоящее время с помощью нанослоёв можно придать поверхностям самые разные свойства, и такие покрытия относятся к продуктам нанотехнологий первого поколения. Благодаря нанотехнологиям появляются «умные вещи». Люди уже могут носить одежду и обувь, которые не пачкаются и не промокают, что существенно облегчает нам жизнь, это и определяет актуальность проводимого в работе исследования.
Объект исследования: Эффект лотоса. Гидрофобные молекулы.
Цель исследования: Понять, что такое гидрофобные веществ. Как получить гидрофобные вещества в домашних условиях.
Задачи исследования:
-изучить эффект лотоса;
-выяснить, какие вещества называются гидрофобными;
- разделить гидрофобные вещества по способу их нанесения;
-обобщить результаты исследования.
Глава I. Теоретическая часть
1.1 Гидрофобность – что это такое?
Гидрофобность (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φόβος — боязнь, страх) — это физическое свойство молекулы, которaя «стремится» избежать контакта с водой. Сaмa молекулa в этом случае нaзывaется гидрофобной.
Гидрофобные молекулы обычно неполярны и «предпочитaют» нaходиться среди других нейтральных молекул и неполярных растворителей. Поэтому водa нa гидрофобной поверхности собирается в кaпли. A при добавлении в воду гидрофобных жидкостей, в зaвисимости от плотности, они собираются в изолированные сгустки, либо рacпределяются по поверхности воды, кaк происходит c нефтью.
Гидрофобными являются молекулы 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.
1.2 Пример гидрофобности
Клеточные мембраны:
Клетка мембраны сделаны из макромолекул, известных как фосфолипиды. Фосфолипиды имеют атомы фосфора в головках молекул, которые притягивают воду. Хвост молекулы состоит из липидов, которые являются гидрофобными молекулами. гидрофильный головы указывают на воду, а гидрофобные хвосты притягиваются друг к другу. В небольших группах фосфолипиды образуют мицеллы. Как видно на рисунке 1 ниже, мицелла представляет собой небольшой гидрофобный шарик. Гидрофобные хвосты выталкивают воду из центра шара.
Рис.1 Слои клеточных мембран
Клеточные мембраны состоят из двух фосфолипид слои, известные как фосфолипидный бислой. Середина листа состоит из гидрофобных хвостов, которые вытесняют воду и могут отделять содержимое клетки от внешней среды. Клетки имеют множество специальных белков, встроенных в мембрану, которые помогают транспортировать гидрофильные молекулы, такие как вода и ионы, через гидрофобную среднюю часть мембраны.
В эукариотических клетках органеллы образуются внутри клеток из более мелких мешочков, созданных из фосфолипидных бислоев. Ученые использовали гидрофобные свойства фосфолипидов, чтобы создать другую структуру для доставки лекарств и питательных веществ в клетки. Как видно из рисунка выше, липосомы – это маленькие мешочки, которые можно заполнить лекарством. С правильными белками, встроенными в мембрану, липосомами объединит мембрану клетки-мишени и доставит лекарство внутрь клетки.
Листья растений. Многие растения имеют гидрофобные покрытия на листьях. Важно, чтобы дождь и вода не впитывались через листья, так как это нарушило бы поток питательных веществ, которые зависят от прохождения воды от корня к листу, если бы вода позволяла путешествовать осмос сквозь клеточная мембрана и в листе, это изменит осмотическое давление в листьях, и вода не могла подниматься от корней. Даже водные растения защищают свои листья с помощью гидрофобных веществ, которые обеспечивают поступление питательных веществ из корней, и вода течет в одном направлении через растение, на рисунке 2, приведен пример очень гидрофобного листа, который заставляет капли воды скатываться с листа.
Рис.2 Пример очень гидрофобного листа
Птичьи перья:
Многие водные птицы должны защищать свое перо от проникновения воды и выделять гидрофобные масла на свои перья, что препятствует проникновению воды. Если вы когда-либо слышали термин «как вода из утки», эта фаза относится к гидрофобности утиных перьев. Утки и многие другие водные птицы проводят под водой много времени, собирая пищу. Тем не менее, они также должны летать, когда они выходят из воды. Если бы воде позволяли проникать сквозь их перья, птицы становились бы слишком тяжелыми, чтобы летать. Птицы чистят гидрофобные масла, которые они выделяют из своих кожа и специальные железы на их перья. Когда они погружаются под воду, масла образуют гидрофобный барьер, который препятствует проникновению воды. Затем, когда они появляются, они просто стряхивают воду и могут летать.
1.3 Что такое эффект лотоса?
Лотос (Nelumbo) - многолетнее красивоцветущее водное и околоводное растение, единственный представитель семейства лотосовых, с толстым корневищем, запасающим питательные вещества. Выращивают растение в закрытых водоемах или открытых парках южных стран.
Листья лотоса имеют округлую воронкообразную форму диаметром от 50 см до 70 см. Цветы довольно крупные, диаметром около 30 см, имеют многочисленные белые или розовые лепестки, поднятые на прямой цветоножке над водой.
Под местом прикрепления цветоножки расположена зона реагирования, благодаря которой цветок меняет положение в зависимости от того, где находится солнце. Середина цветка состоит из многочисленных тычинок яркого желтого цвета и широкого цветоложа. Аромат цветков довольно приятен, но практически незаметен.
Эффект лотоса — это эффект крайне низкой смачиваемости поверхности, который можно наблюдать на листьях и лепестках растений рода Лотос (Nelumbo) и других растений, как например, настурция, тростник обыкновенный и водосбор. Технология самоочищающихся супергидрофобных покрытий основана на эффекте лотоса, возникающего при прямом контакте жидкости с наноструктурированной поверхностью.
Лотос стал одним из символов чистоты, благодаря свойствам его листьев удалять с поверхности воду и любые загрязнения, что позволяет им оставаться чистыми, даже вырастая на болоте. Данное явление сопровождается образованием на поверхности листа практически сферических капель, которые скатываются даже при незначительном наклоне, попутно унося с собой грязь, которая находится на поверхности.
Природа данного явления заключается в том, что капля, попадая на шершавую поверхность листа, как бы повисает на этих неровностях-иголках и не может коснуться основной поверхности. Таким образом, вода взаимодействует только с кончиками выступов, тем самым, радикально уменьшая площадь соприкосновения капли с поверхностью, что приводит к появлению супергидрофобных свойств. (Рис. 3)
Рис.3 Соприкосновения капли с поверхностью
1.4 Гидрофильность, гидрофобность и сверхгидрофобность
Представим себе, что на абсолютно гладкой поверхности материала (подложке) находится капля воды. Между водой и поверхностью будет возникать межмолекулярное взаимодействие, которое называется смачиванием.
Рис.4 Характер смачивания водой данной поверхности определяется краевым углом a.
Слева направо показаны значения краевых углов, которые может принимать капля воды, находящаяся на гидрофильной, гидрофобной и сверхгидрофобной поверхности.
Количественно это явление характеризуется краевым углом (углом смачивания). Это угол между поверхностью и касательной плоскостью, проведенной к границе раздела системы «капля жидкости — поверхность — окружающая среда». По величине краевого угла судят о характере взаимодействия капли с поверхностью (рис. 4). Если краевой угол находится в пределах от 0° до 90°, то поверхность называется гидрофильной (сильное смачивание). Форма капли на гидрофильной поверхности определяется краевым углом: чем меньше краевой угол, тем сильнее растекается капля и тем больше площадь ее контакта с подложкой. При краевом угле от 90° до 150° поверхность считается гидрофобной (слабое смачивание). В этом случае капля воды стремится принять форму, близкую к шарообразной, поэтому площадь ее контакта с гидрофобной поверхностью невелика. Когда же угол смачивания превышает 150° (и, естественно, не превосходит 180°), капля едва соприкасается с поверхностью (представляет собой почти шар). Такие поверхности называются сверхгидрофобными (смачивание практически отсутствует).
Описанные типы взаимодействия капли с поверхностью, как и многие другие физические явления, обусловлены принципом минимума энергии: капля стремится принять форму с минимально возможным значением энергии. Один из «источников» энергии капли (если она не очень большая, иначе нужно учитывать еще и силу тяжести) — взаимодействие молекул воды между собой и взаимодействие поверхности с близлежащими молекулами воды. Если сила межмолекулярного взаимодействия между молекулами воды внутри капли слабее взаимодействия между молекулами воды и поверхности, то капле энергетически выгодно растечься (то есть сформировать острый краевой угол). Так возникает явление гидрофильности.
Когда молекулы воды внутри капли сцеплены сильнее, чем сила, с которой они контактируют с поверхностью, капле выгоднее иметь форму, близкую к шару. В этом случае реализуется гидрофобность. Сверхгидрофобность означает, что молекулы воды практически не обращают внимания на силы, действующие со стороны подложки. Для обеспечения минимума энергии капли молекулам воды лучше всего взаимодействовать только между собой.
Всё вышесказанное относится к идеально гладкой поверхности. В действительности же любая поверхность, даже кажущаяся гладкой, имеет наноскопические и микроскопические шероховатости. Многочисленные эксперименты установили, что этот нано- и микрорельеф способен существенно менять краевой угол и делать его неоднозначным в определении (специалисты называют это гистерезисом смачивания). Поэтому свойства поверхности в отношении попадающей на нее воды могут существенно меняться: например, гидрофобная поверхность может стать сверхгидрофобной. Происходит это, во-первых, потому, что шероховатости увеличивают площадь взаимодействия поверхности с каплей. А во-вторых, форма микрорельефа влияет на то, как капля после попадания на поверхность будет растекаться по ней.
Учет второй причины в теоретических моделях, описывающих растекание капли, до сих пор представляет собой сложную задачу. Очевидно, что распределение шероховатостей по поверхности носит, как правило, случайный характер. Однако для простоты дальнейшего изложения будет считать, что они образуют регулярную сетку из нано- или микроскопических столбов.
Рис. 5 Основные состояния капли на сверхгидрофобной поверхности: а — состояние Венцеля; b — состояние Кассье. Шероховатости поверхности моделируются как сетка из микро- или наноскопических столбиков.
На рис. 5 показаны два основных типа расположения капли на сверхгидрофобной шероховатой поверхности: состояние Венцеля (рис. 5а) и состояние Кассье (рис. 5b). В состоянии Венцеля капля частично смачивает шероховатые области, и поэтому заполняет их водой. В состоянии Кассье капля не реагирует на рельеф поверхности и не смачивает участки с шероховатостями, имея меньшую площадь контакта.
1.5 Химические основы гидрофобных веществ
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. 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.
1.6 Гидрофобные материалы
К этой группе принадлежат материалы, не смачивающиеся водой, что позволяет использовать их при решении практических задач, связанных с созданием водонепроницаемых «экранов» для гидроизоляции различных сооружений.
Гидрофобные материалы делятся на естественные и искусственные. К числу первых относятся: битуминозный известняк, пластмассы, битумы, асфальты и т. п. Искусственные гидрофобные материалы можно получить путем специальной обработки гидрофильных материалов; при этом на поверхности частиц этих материалов образуется слой из гидрофобных веществ и газов. Для этого могут быть использованы отходы нефтепродуктов (мылонафт, битумы и т. п.), каменноугольные продукты (деготь, пек), кремнийорганические соединения (силаны и силоксаны), а также различные синтетические лаки, клеи и пластмассы. Такая обработка получила наименование гидрофобизации.
Гидрофобные материалы применяются в различных отраслях народного хозяйства, даже в таких, как закрепление барханных песков путем укладки слоев гидрофобных материалов.
Материалы могут быть гидрофобными во всем их объеме или же их гидрофобность достигается покрытием их поверхности гидрофобными окрасочными составами.
Некоторые материалы, гидрофобные во всем их объеме (асфальт, пластмассы, битум и т. п.) в конструкциях могут, однако, с течением времени подвергаться старению и разрушаться под влиянием атмосферных факторов; они при этом постепенно теряют свою эластичность, становясь хрупкими с образованием в них трещин. Поэтому гидрофобные материалы более целесообразно применять в виде листов, пленок и изоляционных слоев ограниченной толщины, а также в виде вяжущих для получения гидрофобных бетонов. Наполнителем в таких бетонах могут служить измельченные частицы, предварительно подвергнутые гидрофобизации. В этих случаях высокое сцепление гидрофобных вяжущих с поверхностью гидрофобизированных наполнителей обеспечивает структурно-механические качества этих бетонов (асфальтобетон, полимербетон и др.)- В этих условиях наполнители защищены от доступа влаги и потому их гидрофобные свойства не изменяются с течением времени.
Из всех описанных выше способов гидрофобизации материалов наиболее перспективным является покрытие защищаемой поверхности кремнийорганическими водоотталкивающими жидкостями типа ГКЖ. Нанесенная на поверхность материала такая гидрофобизирующая жидкость создает тонкую невидимую пленку, образующуюся в результате взаимодействия ее с материалом или водой, поглощенной (адсорбированной) поверхностным слоем материала. В этой пленке можно, в свою очередь, различить три слоя — нижний, представляющий собою атомы кислорода, прочно сцепленные с материалом; средний, состоящий из атомов кремния; верхний— из органических радикалов1. Этот верхний слой и отталкивает молекулы воды.
Следует отметить, что водоотталкивающие кремний-органические пленки, будучи практически водонепроницаемыми, в то же время проницаемы для пара и воздуха— они обладают способностью «дышать».
Глава II. Создание гидрофобных покрытий: “Экспериментальная часть”
2.1 Создание несмачиваемой шероховатой поверхности
Создание не смачиваемой шероховатой поверхности взял лезвия для бритвы, нагрел в духовке до температуры около 100˚С. Расплавил в фарфоровой чашке парафин. Каждое лезвие окунул в расплав, дадим излишкам парафина стечь на фильтровальную бумагу так, чтобы острие касалось ее поверхности. Собрал напарафиненные лезвия в стопку толщиной около 1 см, подровняем, зажмем в тисках лезвиями вверх. У нас получилась микрошероховатая поверхность.
2.2 Гидрофибизация поверхности дерева или минерального вещества.
В этом эксперименте придадим поверхности дерева и плитке водоотталкивающие (гидрофобные) свойства, т.е. проведем их гидробизацию. Подобрал деревянную и каменную пористую поверхность. Распылил на поверхность гидрофобизирующий состав из баллончика сплошным слоем. Подождал, пока состав полностью высохнет. Водоотталкивающий эффект проявится только на абсолютно сухой поверхности. Затем гидрофобизированную поверхность подвергл испытаниям на воздействие различных жидкостей: воды, кофе и т.д. Увидел проявление водоотталкивающего эффекта с четко выраженным образованием капель. Под действием сил поверхностного натяжения вода стремится принять шарообразную форму, поскольку такая форма наиболее выгодна энергетически – при минимальной площади поверхности шар имеет максимальные объём.
2.3 Воспроизведение эффекта лотоса
В результате эксперимента необходимо узнать, обладают ли самые обычные поверхности гидрофобными свойствами. Для этого взял несколько образцов бумаги разных типов (глянцевая бумага для принтера, писчая бумага и бумажный фильтр) и листья растений. Нанес одинаковые по объёму капли воды на бумагу и листья. Также накапал несколько капель на другие поверхности – стекло, древесину и пластик. Измерил линейкой диаметр капель. На самых гидрофобных поверхностях диаметр капель будет минимальным и, следовательно, их кривизна будет самой большой. Фильтровальная бумага полностью впитывает каплю воды, это означает, что её поверхность не гидрофобная, а наоборот – гидрофильная. Диаметр капли на глянцевой бумаге маленький, а её кривизна большая. Листья посыпал пылью, затем капнул несколько капель воды на загрязненную поверхность и наклонил лист, чтобы капли могли скатиться с него. Капли воды захватывают частички глины и, скатываясь с листа, оставляют на его грязной поверхности чистые полосы.
Вывод: 1. Гидрофильные волокна на поверхности листьев обеспечивают её смачиваемость, которая тем лучше, чем более шероховата поверхность. 2. Гидрофильные частицы глины поглощаются каплей воды, поскольку их адгезия к поверхности листа меньше, чем к воде. Очищающий эффект будет действовать до тех пор, пока капля воды не насытится глиной. Это означает, что избыточные частицы глины останутся на поверхности листа. 3. Если поверхность листа повредить, она утрачивает водоотталкивающие свойства. Теперь капли воды будут прилипать к поверхности листа, хотя их химические свойства не изменились, и поверхность листа будет легко смачиваться. Это объясняется тем, что на поверхности листа были разрушены микро- или наноструктуры, обеспечивающие её водоотталкивающие свойства.
Заключение
За время работы я очень много узнала о гидрофобных веществах и их применении в нашей жизни.
В последние годы ученые разрабатывают все новые гидрофобные вещества, при помощи которых можно защитить различные материалы от смачивания и загрязнения, создавая таким образом даже самоочищающиеся поверхности. Одежда, металлические изделия, стройматериалы, автомобильные стекла - сфер применения множество. Дальнейшее изучение этой темы приведет к разработке мультифобных веществ, которые станут основной для грязеотталкивающих поверхностей. Создав подобные материалы, люди смогут сэкономить время, средства и ресурсы, а также появится возможность снизить степень загрязнения природы чистящими средствами. Так что дальнейшие разработки пойдут на пользу всем.
Список литературы
1. Абрамзон, А.А. Возьмем за образец лист лотоса / А.А. Абрамзон. –Химия и жизнь.- 1982. - № 11. – С.38-40.
2. Жданов, Э.Р. Учебные демонстрации с элементами «нано»/ Э.Р.Жданов, А.Н.Лачинов, А.Ф.Галиев. – СПб: Школьная лига, 2013. – 80 с.
3. Озерянский, В.А. Познаем наномир: простые эксперименты: учебное пособие/ В.А.Озерянский, М.Е.Клецкий, О.Н.Буров. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013.- 142 с.
4. Сумм, Б.Д. Основы коллоидной химии: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений [Текст]/ Б.Д.Сумм. – М.: Издательский центр «Академия»,2007.- 240 с.
5. Химия и производство: водонепроницаемые ткани и другие материалы [Электронный ресурс] / - URL: http://www.lformula.ru/
6. Эффект лотоса [Электронный ресурс] / - URL: http:// ru.wikipedia.org
7. Эффект лотоса [Электронный ресурс] / -URL:http://thesaurus.rusnano.com/wiki